Programmieren mit PASCAL [Reprint 2021 ed.] 9783112478004, 9783112477991

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GERHARD PAULIN - HANS SCHIEMANGK

Programmieren mit PASCAL

Programmieren mit PASCAL von Dr. GERHARD PAULIN Dr. HANS SCHIEMANGK Humboldt-Universität zu Berlin

Mit 34 Abbildungen

Akademie-Verlag • Berlin • 1981

Erschienen im Akademie-Verlag, DDR-1080 Berlin, Leipziger Straße 3 — 4 Lektor: Dipl.-Math. Gesine Reiher © Akademie-Verlag Berlin 1981 Lizenznummer: 202 • 100/417/81 Umschlaggestaltung: Rolf Kunze Gesamtherstellung: VEB Druckerei „Thomas Müntzer", 5820 Bad Langensalza Bestellnummer: 762821 7 (6585) • LSV 1084 Printed in GDR D D R 22,— M

Vorwort

Unabhängig davon, welche Entwicklung die Rechentechnik und die für ihre Nutzung entwickelten Hilfsmittel in den nächsten Jahren nehmen werden, läßt sich heute schon sagen, daß die Programmiersprache PASCAL als erste realisierte Zusammenfassung der Sprachen der fünfziger und sechziger Jahre einerseits eine Bilanz darstellt, andererseits richtungweisend für die Softwareentwicklung ist und gewesen sein wird. Die Vorteile und Mängel "klassischer" Sprachen, wie FORTRAN, ALGOL 60, COBOL, PL/1, sind analysiert und verarbeitet worden, das alles auf dem Hintergrund der typischen Anwendungen der Rechentechnik der siebziger Jahre. Wir haben seit einigen Jahren in Lehre und Praxis die Möglichkeit gehabt, PASCAL zu erproben, und meinen deshalb, daß das Erlernen dieser Programmiersprache nicht nur für den Anfänger, sondern auch für erfahrene Programmierer ein sicherer Weg ist, um algorithmisches Denken und alle typischen einfachen und höheren Programmiertechniken kennenzulernen und zu vertiefen. Wir möchten "das Erlernen einer Programmiersprache" so v e r standen wissen, daß sich der Lernende aktiv, d.h. Programme produzierend, mit der Sprache auseinandersetzt. Das Studium von Syntax und Semantik allein genügt nicht. Wenn diese Sprache gut ist - und das glauben wir von PASCAL behaupten zu können wird eine solche aktive Beschäftigung auch einen guten Programmierstil hervorbringen. Nach unseren Erfahrungen stellt PASCAL eine ausgezeichnete Basis für die Einarbeitung in andere, auch stark spezialisierte Programmiersprachen dar. Unsere mit PASCAL ausgebildeten Studenten mußten während ihres Betriebs-

Vorwort

6

praktikums im allgemeinen auf andere Sprachen "utnsteigen". Sowohl die Praktikumsbetriebe als auch die Studenten selbst bestätigen, daß dieser Übergang auf der Grundlage der PASCAL-Kenntnisse schnell und reibungslos e r folgte. Die sehr ausführliche Diskussion eines PASCAL-Programms im Abschnitt 2 veranschaulicht die Grundideen der Sprache. Vor allem der Anfänger im P r o grammieren sollte dieses Beispiel gründlich durcharbeiten. Abschnitt 3 enthält eine vollständige Sprachbeschreibung. Leitgedanken des methodischen Aufbaus sind das Herausarbeiten der PASCAL-Datenstrukturen und der Programmstrukturierung, insbesondere durch Unterprogramme. Aus methodischen Gründen haben wir die Fachtermini unter Verwendung der PASCAL-Schlüsselwörter gebildet (z.B. FOR-Anweisung). Programmwiedergaben in Büchern enthalten i. allg. zahlreiche Fehler. Wir betrachten die Tatsache, daß nur getestete Beispielprogramme wiedergegeben wurden, als einen wesentlichen Vorzug dieses Buches. Das in den meisten Beispielen verwendete PASCAL/P-System für OS/ES, DOS/ES und MS ist das Ergebnis einer am Bereich Informationsverarbeitung der Sektion Mathematik der Humboldt-Universität zu Berlin durchgeführten Weiterentwicklung des am Institut für Computer Science der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau implementierten PASCAL/P für IBM/ 370-Rechner. Basis der Warschauer Arbeiten war das vom Institut für Informatik der ETH Zürich (Prof. N. WIRTH) vertriebene PASCAL/P-System. Das von uns genutzte PASCAL/P-System für ESER-Rechner kann interessierten Rechenzentren zur experimentellen Nutzung zur Verfügung gestellt werden. Wir danken allen Kollegen, die durch Gespräche und Anregungen das Entstehen des Buches unterstützten, ganz besonders Herrn Dr. CHRISTOPH POLZE. Dem Akademie-Verlag danken wir für die kurzfristige Aufnahme des Themas in sein Verlagsprogramm, Fräulein Dipl.-Math. GESINE REIHER und Herrn Dr. REINHARD HÖPPNER für die Unterstützung beim Anfertigen der Programmvorlagen. Berlin, Dezember 1980

H. SCHIEMANGK,

G. PAULIN

Inhaltsverzeichnis

1.

Einleitung

2.

Einführendes Beispiel

12

3.

Sprachbeschreibung

23

3.1.

Vorbereitungen

23

3.2. 3.2.1. 3. 2.2. 3. 2. 3.

Blöcke Allgemeines Vereinbarung von Objekten und Unterprogrammen Gültigkeitsbereich von Bezeichnern

28 28 30 36

3.3. Einfache Typen und Ausdrücke 3.3.1. Einfache Typen

9

39 41

3.3.2. Ausdrücke

51

3.4. Anweisungen 3. 4.1. Ergibtanweisungen

56 58

3.4.2. Prozeduranweisungen 3.4.3. Auswahl einer von mehreren Anweisungen

59 61

3.4.4. Zyklenanweisungen

63

3.5.

68

Eingabe/Ausgabe-Operationen

3. 5.1. Definition der elementaren Standardroutinen für Files

69

3.5.2. Textfiles

74

3.6.

88

Strukturierte Datentypen

3.6.1. SET-Typen

89

3.6.2. ARRÄY-Typen

91

8

Inhaltsverzeichnis

3 . 6 . 3 . RECORD-Typen

96

3. 7.

Pointertypen und dynamische Variablen

106

3.8.

Ergänzungen zum Routinenkonzept

111

3 . 8 . 1 . FCKW ARD-Deklarationen

111

3 . 8 . 2 . Rekursive Routinen

113

3 . 8 . 3 . Formale Routinen

115

3. 9.

Marken und GOTO-Anweisungen

119

4.

Zusammenfassende Beispiele mit Diskussion

121

4.1.

Primzahlzerlegung

121

4.2.

Regression und Korrelation

124

4.3.

Hexadezimaldarstellung ganzer Zahlen

127

4.4.

Ausdrucken von Lochkarten

131

4.5.

Druckaufbereitung von Text

133

4.6.

Erzeugung eines binären Baums

135

4.7.

Allgemeines Iterationsverfahren

142

5.

Dialogfähige Programme

145

5.1.

Voraussetzungen

145

5. 2.

Beispiel für ein dialogfähiges PASCAL-Programm 146

6.

Externe Routinen

152

6.1.

Externe PASCAL-Routinen

152

6.2.

Kopplung von PASCAL-Programmen mit Routinen, die mit Hilfe anderer Sprachen erzeugt wurden 153

Anhang. PASCAL/P für ESER

156

A. 1.

Veränderungen gegenüber Standard-PASCAL

156

A. 2.

Implementationsspezifische Festlegungen

158

A.3.

Über setzungsprotokoll

161

Liter aturverze ichnis

163

Sachverzeichnis

165

1. Einleitung

Wesentliche Fortschritte bei der Durchsetzung der Rechentechnik sind dadurch erzielt worden, daß die Nutzung der Rechentechnik in zunehmendem Maße "anwenderfreundlich" wurde. Damit ist gemeint, daß von Spezialisten Hilfsmittel für das Betreiben von Informationsverarbeitungsanlagen entwickelt worden sind, die'den Denk- und Arbeitsgewohnheiten des potentiellen Nutzers weitestgehend entgegenkommen. Diese Hilfsmittel stellen sich dar als mehr oder minder umfangreiche Programmsysteme, die zur Grundausstattung eines Anlagentyps genauso wie eine Grundausstattung der Maschinenausrüstung gehören. Diese Gesamtheit von Programmsystemen wird allgemein als Betriebssystem bezeichnet. Unter anderem gehören dazu solche Programmsysteme, die die Entwicklung von Anwenderprogrammen unterstützen und die Verwaltung der Problemdaten übernehmen. Der ursächliche Kontakt zwischen dem Anwender von Rechentechnik und der Grundausstattung von Programmen (der Software des Anlagentyps) erfolgt bei der Klärung der Frage, wie für ein konkretes Problem ein Programm entwickelt werden kann. Seit dem Anfang der fünfziger Jahre sind maschinenunabhängige Programmnotationen untersucht worden [ l , i ] , die die Keimzelle der heutigen problemorientierten Sprachen (oder einfach höheren Programmiersprachen) sind. Die logische Konzeption höherer Programmiersprachen ist global - und etwas v e r einfacht - so zu kennzeichnen, daß prdblemspezifische Daten darzustellen sind und Operationen mit diesen Daten ausgedrückt werden können. In den letzten drei Jahrzehnten sind Hunderte von Sprachen vorgeschlagen und zu einem Teil implementiert worden. Weltweite Bedeutung erlangten in

10

1. Einleitung

den sechziger Jahren die Programmiersprachen PORTRAN [3] (formula translation), ALGOL 60 [4] (algarithmic language), COBOL [5] (common business oriented language) und PL/1 [ö] (programming language one). Auf allen größeren Informationsverarbeitungsanlagen stehen Übersetzer oder Interpreter für diese Sprachen zur Verfügung. Trotz dieser Flut von Programmiersprachen wird immer wieder eine (n+l)te Sprache vorgeschlagen und oft auch ein Übersetzer entwickelt. Das eigentliche Anliegen, das am Anfang dieser Entwicklung stand, den Einsatz der Rechentechnik zu effektivieren und leicht zu übertragende Programmarchive zu schaffen, geht dabei zum Teil verloren. Der Anwender wird immer wieder mit neuen Notationen konfrontiert, er muß vor allem immer wieder uneffektive Umrüstungsarbeiten vornehmen, wenn sich die Hardware ändert. Besonders störend ist diese Situation in der Ausbildung in Informationsverarbeitung. Die Lehre kann kaum oder nur in Ausnahmefällen in Betracht ziehen, mit welcher Maschinenausrüstung und welcher Software der Lernende in Zukunft arbeiten muß. So lag der Wunsch bei den Ausbildenden auf der Hand, eine Programmiersprache zu schaffen, die die Erfahrungen mit erprobten Programmiersprachen enthält, voraussehbare Entwicklungen einbezieht, einfach erlernbar ist und auf Grund ihrer logischen Geschlossenheit für die Lehre geeignet ist. Das Verdienst, eine solche Programmiersprache entworfen und implementiert zu haben, gebührt N. WIRTH, der 1971 die erste PASCAL-Version veröffentlichte [7]. Es ist schwierig, eine Sprachentwicklung durchzusetzen, wenn nicht von Seiten der computerherstellenden Industrie ein deutliches Interesse, sprich deutliche Unterstützung, zu erkennen ist. Umso mehr spricht es für die Programmiersprache PASCAL, die innerhalb von wenigen Jahren ohne eine solche Unterstützung die Fachwelt überzeugt hat. Allerorts wurden für ganz unterschiedliche Anlagentypen PASCAL-Compiler entwickelt. Die Entwicklung der Sprache PASCAL legt Zeugnis davon ab, daß die Entwicklung einer (n+l)ten Sprache sinnvoll sein kann. Für diese erste PASCAL-Version wurde an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich 1970 ein Compiler für die Anlage CDC 6400 fertiggestellt [8], Ein zweiter Compiler wurde 1971 an der Universität Belfast für die Anlage ICL 1900 entwickelt [9]. 1972 erschien ein revidierter Bericht der

1. Einleitung

11

Sprache, worin jedoch keine Spracherweiterungen, sondern lediglich einige Einschränkungen vorgenommen wurden [l0, ll]]; ein Compiler hierfür wird seit 1974 verteilt. In diesen Jahren verbreitete sich PASCAL um die Welt. Ein Grund dafür liegt in der Sprache selbst, die es gestattet, die Implementierung von PASCAL mit Hilfe von PASCAL selbst vorzunehmen. Diese Möglichkeit ist dann auch für die Übertragung des PASCAL-Compilers genutzt worden: Alle auf die erste CDC -6400-Implementation folgenden Compiler wurden mittels PASCAL erzeugt. Nach einer Mitteilung der ETH von 1977 [l2] waren zu diesem Zeitpunkt Compiler für 75 unterschiedliche Anlagentypen in insgesamt 31 Ländern implementiert. Es sei hervorgehoben, daß es sich dabei sowohl um moderne Großrechner als auch um Mikrorechner handelte. Stellvertretend für eine Aufzählung seien hier die Typen IBM 370, ES 1040, PDP 11, Z 80 und INTEL 8080 genannt. Außerdem hat sich PASCAL bei der Erzeugung dialogfähiger Programme bewährt, wenn das Betriebssystem, in dem der PASCAL-Compiler arbeitet, Uber Möglichkeiten interaktiver Arbeit verfügt. Aus den Erfahrungen, Compiler Übertragungen mit PASCAL selbst vorzunehmen, erwuchsen Untersuchungen darüber, inwieweit PASCAL geeignet ist, ein anderes Problem der höheren Programmiertechnik zu bearbeiten, nämlich die Beschreibung von Betriebssystemkomponenten oder gar von Betriebssystemen bzw. Modellbetriebssystemen. Diese überaus fruchtbaren Arbeiten an und mit PASCAL haben schon ihren Niederschlag in konkreten Implementationen gefunden [l3, 14]. Es scheint nicht vermessen zu sein vorauszusagen, daß die Programmiersprache PASCAL in Lehre und Anwendung einen festen Platz behalten wird und daß darüber hinaus diese Sprache durch experimentellen Einsatz und theoretische Weiterentwicklung Grundlage effektiver Methoden in der Systemprogrammierung werden wird.

2. Einführendes Beispiel

Bevor wir mit einer systematischen Beschreibung der Spracheiemente von PASCAL beginnen, soll ein Beispiel die Struktur von PASCAL-Programmen und wesentliche Möglichkeiten des Programmierens in dieser Sprache illustrieren. Wir sind davon überzeugt, daß das Betrachten dieses Beispiels das Durcharbeiten und Erlernen der Sprache erleichtert. Es behandelt folgende Aufgabe: 15 Warenarten sind an 6 Abnehmer geliefert worden, diese Belieferung ist in Form einer (6 x 15)-Matrix zusammengestellt. Die Preise für die einzelnen Warenarten liegen als Vektor vor (Angaben in Pfennigen). Es sind die Lastsummen für die Abnehmer zu berechnen und übersichtlich zu drucken, außerdem ist der Gesamtumsatz zu errechnen. Diese Aufgabe enthält als mathematischen Algorithmus die Produktbildung Absatzmatrix * Preisvektor. Zur Erzeugung eines übersichtlichen Druckbildes werden die Summen mit eingefügtem Dezimalpunkt gedruckt. Ein Muster einer Abnehmerrechnung sei zum besseren Verständnis der Programmzeilen vorangestellt (vgl. Abb. 2.1.).

2. Einführendes Beispiel ABRECHNUNG PUER ABNEHMER WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE WARE

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ABNAHME

GESAMTABSATZ

0 0 1 2 3 4 5 4 3

EVP 20.00 10.00 30.00 0.50 50.00 2.50 15.00 100.00 25.00

1 0 0 1 2

12.30 1.00 80.00 8.00 0.70

2

M

11.00

6 PREIS 0.00 0.00 30.00 1.00 150.00 10.00 75.00 400.00 75.00 22.00 12.30 0.00 0.00 8.00 1.40 784.70

6026.40

Abb. 2.1 Druckerprotokoll einer Preisabrechnung Die eben beschriebene Aufgabe wird durch folgendes Programm gelöst Progr. 2. 2 Einführendes Beispiel: ABRECHNUNG 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

PROGRAM ABRECHNUNG (INPUT, OUTPUT); CONST ABN=6(* ANZAHL DER ABNEHMER *); WART=15(* WARENART *) ; TYPE ALPA=ARaAYC1..830P CHAR; WARENPREIS=RECORD WARE:ALFA; EVP:INTEGER END; ABSATZMATRIX=ARRAYC1 . . ABN, 1.. WART30F INTEGER; VAR AM : ABS ATZMATRIX ; EP :ARRAYC1.. MARTI OF WARENPREIS ; I,J,NSUM,NGES,PREISIJ,L:INTEGER; WA: INTEGER ( M IlUMUEH DER V/AREN ART *);

22 PROCEDURE EINGABE(VAR M:ABSA1'ZMATRIX;ZZ ,SZ :INTEGER) ; 23

2. Einfahrendes Beispiel

14 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75

VAR I,J:INTEGER; BEGIB FOR I : = 1 TO ZZ DO FOR J : = 1 TO SZ DO READ(MCI,J3); READLN(INPUT); END(« EINGÄBE DEri ABSATZMATRIX x ) ; PROCEDURE FORMATIERE(PFENNIGE,LAENGE : INTEGER) ; BEGIN WRITE (PFENNIGE DIV 100 : LAENGE-3 > ' • 1 »PFENNIGE MOD 100 DIV 1 0 : 1 , PFENNIGE MOD 1 0 : 1 ) ; END(x FORMATIERE x ) ; PROCEDURE ABDRUCK(K:INTEGER) ( x ABSCHLUSSDRUCKx) ; BEGIN WRITELNC ' ¡ 4 1 ) ; FORMATIEREN,41 ) ; WRITELN(OUTPUT); WRITELHC = = = = = = = ' : 41 ) ; WRITELN(OUTPUT); END(x ABDRUCK * ) ; BEGIN(xABRECHNUNGx) EINGABE ( Ali, AflN ,WART ) ; ( x EINGABE DER EINHEITENPREISE x ) FOR WA 1 = 1 TO WART DO BEGIN FOR I : = 1 TO 8 DO READ(EPCV/A3.V, \ R E C I 3 ) ; READ(EPDVA3.EVP); READ1N(INPUT); END(x WA x ) ; ( x BERECHNUNG DER LASTSCHRIFTEN UND AUSGABE DER S ULMEN x ) NGES:=0; FOR I : = 1 TO ABN DO BEGIN NSUM:=0; WRITELN(OUTPUT) ; WRITELNC ABRECHNUNG FUEi; ABNEHMER's30,Ii3); WRITELN(OUTPUT); WRITELN ( ' ABNAHME•: 1 7 , 1 E V P • : 8 , • P R E I S * : 1 5 ) ; J:=1; REPEAT P R E I S I J : = A M C I , J J x E P C J 3 . E V P ; NSUH:=Ni.' UM+PREIS I J ; WRITEC ' ) ; WRITE(EPCJJ.WARE:9); WRI."E(AMCI,J3:8); FORMATIERE(EPCJJ• EVP, 8 ) ; FORMATIERE ( 1 R E I S I J , 1 5 ) ; WRITELN(OUTPUT); J : = J + 1 ; UNTIL J>WART; NGES:=NGES+NSUM; ABDRUCK(NSUM); END(xIx); WRITELN (OUTPUT); WRITEC OESAMTABSATZ M'); FORMATIERE(NGES,12); WRITELN(OUTPUT); WRITELN( ' = = = = = = = = = ' : 2 9 ) ; END(x ABRECHNUNG * ) .

Erläuterungen 1. Das Programm ist als Ganzes ein in der Sprache PASCAL geschriebener Satz, eingeleitet durch das Schlüsselwort PROGRAM und abgeschlossen durch den Punkt. 2. Die Leerkarten 1, 13, 19, 20, 22, 30, 31, 33, 38, 39, 45 und 46 dienen nur zur übersichtlichen Gestaltung; sie sind sonst bedeutungslos. Das gilt auch für die Einrückungen am Zeilenanfang.

2. Einführendes Beispiel

15

3. In das Programm sind Kommentare eingefügt, z. B. in Zeile 3. Diese Bemerkungen sind in (K bzw. x) eingeschlossen. Diese Einschöbe können gestrichen werden, ohne die Wirkung des Programms zu verändern. 4. Das Programm besteht aus einem deklarativen Vorspann, Zeilen 0 bis 44, und aus einem Operationsteil, dem Hauptprogramm, im Beispiel die Zeilen 4 7 bis 73. 5. Im deklarativen Teil werden Konstanten, Typen, Variablen und Routinen vereinbart. Der Beginn einer solchen Vereinbarung ist stets durch ein Schlüsselwort gekennzeichnet. Im Beispiel sind das die Schlüsselwörter CQNST (Zeile 2), TYPE (Zeile 6), VAR (Zeile 14) und PROCEDURE (Zeilen 21, 32, 40). 6. Bezeichner für Programmvariablen werden in den Zeilen 15 bis 18 eingeführt, man sagt: die Bezeichner werden vereinbart. Dabei werden einerseits Namen fixiert, andererseits den Namen Definitionsbereiche zugeordnet, aus denen die Werte genommen werden dürfen, die im Programm der Variablen zugewiesen werden. So sind in den Zeilen 17 und 18 die Namen I, J, NSUM, NGES, PREISU, L und WA vereinbart, der Definitionsbereich wird durch den Typbezeichner INTEGER als der Bereich der ganzen Zahlen definiert. In Zeile 15 wird der Bezeichner AM deklariert, wobei der Definitionsbereich von AM durch ABSATZMATRIX gekennzeichnet ist. Wie Objekte aus diesem Definitionsbereich aussehen, wurde zuvor in Zeile 12 festgelegt. 7. In Zeile 12 wird der Typbezeichner ABSATZMATRIX erklärt. Diese Zeile ist folgendermaßen zu verstehen: Objekte vom Typ ABSATZMATRIX sind zweidimensionale Felder (Schlüsselwort ARRAY), d.h. Matrizen, deren Elemente durch ganze Zahlen besetzt werden dürfen (OF INTEGER). Für diese Matrizen werden die Definitionsbereiche der Indizes durch 1.. ABN für den ersten bzw. 1. .WART für den zweiten Index beschrieben. 8. ABN bezeichnet also in Zeile 12 den größten Wert, den der erste Index einer Variablen annehmen kann, die die Gestalt ABSATZMATRIX hat. Wie groß dieser Wert konkret ist, muß bei der Übersetzung des Programms bekannt sein. Deshalb wurde i n Zeile 3 der Wert für ABN mit 6 festgelegt: ABN ist der Bezeichner für die Konstante 6. Entsprechendes gilt für WART.

lb

2. Einführendes Beispiel 9. In Zeile 16 wird E P als Bezeichner für ein Feld (ARRAY) von 15 Varia-

blen (1. .WART) eingeführt, die vom Typ WARENPREIS sind. Um zu verstehen, was gemeint ist, muß man also wissen, wie die Objekte beschaffen sind, die diesen Typ repräsentieren. Das findet man wiederum in den Vereinbarungen für Typbezeichner, nämlich in Zeile 8. 10. In Zeile 8 wird der Typbezeichner WARENPREIS eingeführt. Auch dieser Typ charakterisiert eine zusammengesetzte Datenstruktur, jedoch ganz anders als ABSATZMATRIX. Der Typ WARENPREIS wird durch das Schlüsselwort RECORD (das in Zeile 11 folgende END schlieft nur die durch RECORD eingeleitete Beschreibung ab) als Datensatz gekennzeichnet, der aus mehreren Teilen besteht, die jedoch nicht vom gleichen Typ sein müssen. Im Beispiel enthält ein Datensatz des Typs WARENPREIS zwei Teilstrukturen, die symbolisch durch WARE und EVP bezeichnet werden. Der Teilstruktur EVP können Werte vom Typ INTEGER zugewiesen werden, der Definitionsbereich von WARE ist durch den Typbezeichner ALFA beschrieben. Diesen Typbezeichner findet man in Zeile 7 definiert, und zwar als Feld von acht Zeichen (OF CHAR). Demnach kann man sich EP als folgendermaßen aufgebaute Datenstruktur vorstellen (siehe Abb. 2. 3). EP[1J

I I I I 1 I I I WARE : «Zeichen I

EPW

EVP : ganzzahliger

WARE '

Wert

8 Zeichen

EVP : ganzzahliger Ufert Abb. 2. 3 Datenstruktur zum Programm ABRECHNUNG 11. Die Betrachtung der Variablendeklarationen führte uns zu den Definitionsbereichen, die in den Typbezeichnern ausgedrückt wurden. Hierbei waren die Typbezeichner ALFA, WARENPREIS und ABSATZMATRIX in den Zeilen 7 bis 12 definiert worden. Nicht definiert wurden die Typbezeichner INTEGER und CHAR. Sie werden als Standards behandelt.

2. Einführendes Beispiel

17

12. Die drei in den Zeilen 21 bis 44 deklarierten Prozeduren dienen zur Erledigung von Teilaufgaben im Rahmen der Gesamtaufgabe: Die Prozedur EINGABE liest die Werte der Absatzmatrix zeilenweise ein, die Prozedur FORMATIERE gibt eine Zahl aus (WRITE), wobei die Zahl als ein in Pfennig gegebener Betrag aufgefaßt wird, in das Ausgabemuster jedoch durch das Einfügen eines Dezimalpunktes dieser Betrag in der Einheit Mark ausgedruckt wird. Die Prozedur ABDRUCK besorgt die Erzeugung der Abschlußzeilen unter der Abrechnung eines jeden Abnehmers. 13. Die Eingabeprozedur (Zeilen 21 bis 29) liest Elemente einer Matrix ein. Das Einlesen eines Elements ist ausgedrückt in READ (M [i, j]), das Lesen einer Zeile dadurch, daß J die Werte von 1 bis SZ durchlaufen soll (FOR J := 1 TO SZ DO). Außerdem ist das Einlesen ganzer Zeilen zu wiederholen, wofür FOR I := 1 TO ZZ DO codiert ist. Diese Bezeichner werden in Zeile 21 als formale Parameter der Prozedur einschließlich der dazugehörigen Definitionsbereiche notiert. Über M, ZZ und SZ wird der Zusammenhang zwischen der Prozedur EINGABE und der Programmumgebung hergestellt, in der die Prozedur gebraucht wird. Diese in Klammern eingeschlossenen Angaben in Zeile 21 enthalten demnach die Beschreibung der Schnittstelle zwischen der Prozedur und die Programmumgebung der Prozedur. Die Prozedur soll es ermöglichen, Matrizen mit beliebigen Namen einzulesen, wenn nur der Typ der Matrizen dem Typ ABSATZMATRIX entspricht. Es können durch die eben beschriebenen FOR-Anweisungen Teile dieser Matrix eingelesen werden, nämlich die Elemente, die in den ersten ZZ Zeilen und SZ Spalten stehen. Um Flexibilität zu erreichen, sind für die Matrizenbezeichnung M, für die Zeilenanzahl ZZ und für die Spaltenanzahl SZ "Pseudonamen" verwendet worden. 14. In der Liste der formalen Parameter (Zeile 21) ist dem Bezeichner M das Schlüsselwort VAR vorangestellt, den Bezeichnern SZ und ZZ aber nicht. Betrachtet man noch einmal die Zeile 27, so sieht man, WART}

68 68

- n ges ••« n ges • n sum - Ausgabe • Endsumme für einen Abnehmer

69, 57 69, 57 TO, 71

I ••» i + 1 - P{ ABN} - Ausgebe •• Gesamtbetrog

Abb. 2.4 Flußdiagramm zum Programm ABRECHNUNG Die Struktur EP ist in Abb. 2. 3 wiedergegeben. Mit Bezug auf dieses Bild ist unmittelbar verständlich, was ausgegeben wird. In der Prozeduranweisung FORMATIERE ist die Ausgabe implizit enthalten, weil bei Abarbeitung der Prozedur die WRITE -Anweisung aus Zeile 35 abgearbeitet wird, wobei der Parameter PFENNIGE durch EP [ j ] , EVP ersetzt wird.

2. Einführendes Beispiel

21

22. Letztlich sei noch darauf hingewiesen, daß die Zeilen 70 und 71 die letzten zwei Zeilen des am Anfang dieses Abschnitts angegebenen Ergebnisdrucks erzeugen. Wir haben diese Beispiele so ausführlich besprochen, um dem Leser zu zeigen, daß es mit geringer Mühe möglich ist, PASCAL-Programme zu lesen - vorausgesetzt, daß es nicht den Inhalt betreffende Schwierigkeiten gibt und daß die Programme nicht durch trickreiches Programmieren an Übersicht verloren haben. Zu dem "trickreichen Programmieren" meinen wir, daß es abzulehnen ist. Der Programmierer zahlt dafür stets den Preis eines größeren Testaufwandes und den einer stets neu erforderlichen Einarbeitungszeit, wenn nach einiger Zeit Korrekturen notwendig sein sollten. Wir werden aus diesen Gründen in dieser Lehrschrift auch Fragen der Effektivität hinsichtlich Speicherplatzorganisation oder Laufzeit hintenanstellen, wenn dadurch die Klarheit der algorithmischen Darstellung leidet. Das oben angegebene Progr. 2. 2 soll abschließend ohne jede Strukturierung angegeben werden. Progr. 2. 5 Redundanzfreie Programmnotation 152 152 152 152 1052 80 4 28 29 50 57 71 87 115 133 146 165 188 214 229 240 251

PROGRAM ABRECHHUHG(INPUT,OUTPUT) ¡CONST ABN=6{WAriT=15;TYPE ALFA=ARRAY[1 . .8] OP CHAR;Y/ARENPREIS=RECORD V/ARE:ALFA ¡EVP: INTEGER END;ABSATZMATRIX=ARRAY£1. ,ABN,1 , .WARTJOF INTEGER; VAR AM:ABSATZMATRIX;EP:ARRAYC1 ..WARTJOF WARENPREIS;I,J,NSUH, NGES,PREISIJ,L:INTEGERiWA¡INTEGER¡PROCEDURE EIHGABECVAR M: ABSATZMATRIX;ZZ

§

^

C ] { } : = . , ; : . . '

(

)

t

25

3.1. V arber e itunge n 2. Wortsymbole AND

DOWNTO

GOTO

OR

THEN

ARRAY

ELSE

IF

PACKED

TO

BEGIN

END

IN

PROCEDURE

TYPE

CASE

FILE

LABEL

PROGRAM

UNTIL

CONST

FOR

MOD

RECORD

VAR

DIV

FORWARD

NOT

REPEAT

WHILE

DO

FUNCTION

OF

SET

WITH

3. BeZeichner 4. Vorzeichenlose Zahlen und Zeichenkettenkonstanten 5. Trennzeichen. Man beachte bei den Spezialsymbolen, daß sowohl die Zeichen als auch die Zweierkombinationen Morpheme sind! Die Regeln zur Bildung von Morphemen der Klassen 3. und 4. beschreiben wir mit Hilfe von Syntaxdiagrammen. Wir verwenden im folgenden drei Konstruktionen mit den Namen buchstabe, Ziffer und zeichen. Ohne formale Definition sei vereinbart, daß sie die Auswahl eines Großbuchstaben, einer Dezimalziffer bzw. eines beliebigen druckbaren Zeichens bedeuten. Für spätere Bezugnahmen werden die Syntaxdiagramme durchnumeriert. (1) be Zeichner

•buchstabe

buchstabe Ziffer

"bezeichner" sind verschieden von allen Wortsymbolen. B e i s p i e l e . A CUMIN

MAXINT

(2) Ziffern »-Ziffer —i

B e i s p i e l e . 123 00084 13009

26

3. Sprachbeschreibung

(3) natürliche-zahl —Ziffern

•

(4) reile-zahl Ziffern—1k—»ziffern-^E-^—j»ziffern j • B e i s p i e l e . 3.97E-2 2.1 6E2 (5) zeichenkette

#

— z• e i czeichen h e n - -p» 1. Ist "zeichen" ein Apostroph, dann ist e r doppelt zu schreiben. 2. Innerhalb einer "zeichenkette" darf kein Zeilenwechsel auftreten. B e i s p i e l e . 'FRANZ' ' S E A N 0 " C A S E Y " )%' Syntaxdiagramm (1) definiert die Bezeichner als mindestens einelementige, beliebig lange Folgen von Großbuchstaben und Dezimalziffern, die mit einem Buchstaben beginnen und von allen Wortsymbolen verschieden sind. Bezeichner werden vom Programmierer als Namen von Konstanten, Typen, Variablen, Prozeduren, Funktionen und Parametern sowie als Programmname eingeführt. Die PASCAL-Compiler erlauben im allgemeinen einerseits Bezeichner, die sich maximal über eine ganze Zeile erstrecken, legen aber andererseits fest: Bezeichner, die in den ersten n Zeichen übereinstimmen, sind gleich. Einem Vorschlag von WIRTH [lÖ] folgend, sollte man so programmieren, als wäre n = 8. Die auf ESER-Anlagen betriebenen Compiler sehen Bezeichner nur dann als verschieden an, wenn sie sich in den ersten acht Zeichen unterscheiden. Das bei der Darstellung reeller Zahlen (Diagramm (4)) mögliche Zeichen E ist zu interpretieren als "mal 10 hoch". Das folgende Beispiel soll helfen, einen bei PASCAL-Anfängern häufig auftretenden Fehler zu vermeiden. Man beachte den Unterschied zwischen den Zahlen

3.1. Vorbereitungen

27

400 , 400. 00 und 4E2 , auf eine natürliche Vierhundert folgen zwei reelle! Die Sprache PASCAL kennt drei Gestalten des Morphems "Trennzeichen": 1. einen Kommentar, 2. das Leerzeichen, 3. den Zeilenwechsel. (6) kom'.nentar —*•

ze ichen — —

"zeichen" darf keine schließende geschweifte Klammer sein. B e i s p i e l . {DAS IST EIN KOMMENTAR.} Kommentare dürfen - im Gegensatz zu Zeichenketten - Uber mehrere Zeilen ausgedehnt sein. Innerhalb von Zeichenketten und Kommentaren verlieren alle Spezialsymbole, Wortsymbole, BeZeichner und Zahlen ihre inhaltliche Bedeutung. Insbesondere sind Leerzeichen keine Trennzeichen. Wer Programme in einer höheren Sprache schreibt, sie ubersetzt, testet und nutzt, wird stets mit einigen Besonderheiten "seines" Sprachverarbeitungssystems konfrontiert sein. Wir stellen im folgenden noch einige allgemeingültige Hinweise für die Notation von PASCAL-Programmen zusammen. 1. PASCAL-Programme werden - anders als z.B. FORTRAN-Programme formatfrei notiert, wobei folgende Regel zu beachten ist: Zwei Wortsymbole, Bezeichner oder Konstanten müssen durch mindestens ein Trennzeichen oder Spezialsymbol getrennt sein. An diesen Stellen sowie vor und nach einem Spezialsymbol darf eine beliebige Zahl von Trennzeichen stehen. Auf Grund dieser Regel wird das Morphem "Trennzeichen" in die Syntaxdiagramme der folgenden Abschnitte nicht explizit aufgenommen.

3. Sprachbeschreibung

28

2. Bedingt durch die jeweilig verfügbare Hardware (Drucker- und Bildschirmzeichensatz) ist es oft erforderlich, für einige Spezialsymbole Transkriptionen zu benutzen. Hierfür hat sich die in Abb. 3.1 gegebene Liste eingebürgert. Speziolsymbol Transkription

+

£

>

-

[

]

{ }

t

*)

9

: •

Abb. 3.1 Transkriptionen von PASCAL-Spezialsymbolen Die Transkriptionen %= und % haben i. allg. nur auf CDC-Computern Bedeutung. Wie schon beim einführenden Programm (Abschnitt 2.) verwenden wir nachfolgend sowohl in den Syntaxdiagrammen als auch in den Beispielen stets die Notationeno, = , ( * , * ) und a). Die eckigen Klammern werden nur in jenen Beispielprogrammen umschrieben, die mit Hilfe des Mehrfachzugriffsystems MS [l6, 17] im Dialogbetrieb entwickelt und benutzt werden. 3. Viele Programmsysteme, die der Aufbewahrung und Wartung von Quelltexten dienen, speichern im 80-spaltigen Lochkartenformat mit Zeilennumerierung in den letzten acht Spalten. Die PASCAL-Compiler bieten daher i. allg. die Möglichkeit, bei Programmeingabe im Lochkartenformat wahlweise die Spalten 73 bis 80 zu ignorieren. Insbesondere unter dem Aspekt eines Programmaustauschs zwischen verschiedenen PASCAL-Nutzern ist es ratsam, bei der Programmierung darauf zu achten, daß alle Quelltextzeilen vom 73. Zeichen an nur Leerzeichen enthalten.

3.2.

Blöcke

3 . 2 . 1 . Allgemeines Programme beschreiben Informationsverarbeitungsprozesse. Inhaltlich zerfällt eine derartige Beschreibung in zwei Teile:

3.2. Blöcke

29

1. Angabe der Objekte des Informationsverarbeitungsprozesses; 2. Beschreibung der mit den Objekten ausgeführten Aktionen. Ein Objekt ist ein geordnetes Paar, bestehend aus einem Identifikator und einem Wert. Der Identifikator wird benutzt, um auf das eigentlich Interessante am Objekt - auf seinen Wert - Bezug zu nehmen. Es ist üblich, zwei Sorten von Objekten zu unterscheiden: 1. Konstanten

-Objekte, deren Wert durch den Informationsverarbeitungsprozeß nicht verändert werden kann, 2. Variablen - Objekte, deren Wert durch gewisse Aktionen veränderbar ist. In PASCAL treten neben den für beide Objektsorten möglichen Bezeichnern noch implizite Identifikatoren auf. Konstanten, z.B. 17, werden auch durch ihre Gestalt - d.h. die unmittelbar aufeinanderfolgenden Ziffern 1 und T identifiziert. Dynamische Variablen können nur über Pointer erreicht werden (Abschnitt 3.7.). Wir unterscheiden grob vier Arten von Aktionen, die bei Informationsverarbeitungsprozessen eine Rolle spielen: 1. Bildung "neuer" Werte aus "alten"; B e i s p i e l e . Addition von Zahlen, Verneinung von Wahrheitswerten. Diese Aktionen werden in PASCAL durch sogenannte Ausdrücke beschrieben. 2. Belegung einer Variablen mit einem Wert; Hierfür gibt es in PASCAL die Ergibtanweisung. In ihr tritt das Spezialsymbol := als Wertzuweisungsoperator auf. 3. Steuerung der Reihenfolge von Aktionen; B e i s p i e l e . Ausführung einer gekennzeichneten Aktionenfolge, Auswahl einer von mehreren Aktionen, mehrfache Ausführung einer Aktion. Diese Aktivitäten werden in PASCAL durch Prozeduranweisungen und Funktionsaufrufe sowie verschiedene strukturierte Anweisungen ausgedrückt. 4. Kommunikation mit externen Geräten; PASCAL bietet Eingabe/Ausgabe-Operationen für sequentiell organisierte Dateien an. Der Vollständigkeit halber sei vermerkt, daß natürlich Eingabeanweisungen i. allg. ebenfalls die Belegung von Variablen mit Werten bewirken und in diesem Sinne auch zu Punkt 2 gehören.

30

3. Sprachbeschreibung

Beim Programmieren entsteht sehr schnell der Wunsch, Teilprogramme zu formulieren und diese als Bausteine umfangreicherer Programme zu v e r wenden. Solche Teilprogramme könnten ihrerseits wieder aus kleineren Bausteinen aufgebaut sein. Für die Zweckmäßigkeit dieser Unterprogrammtechnik lassen sich mindestens zwei gewichtige Gründe nennen: 1. Häufig gibt es umfängliche Aktionenfolgen, die innerhalb eines Informationsverarbeitungsprozesses zu verschiedenen Zeitpunkten mehrmals ausgeführt werden. Möglicherweise gibt es Aktionenfolgen, die sich nur bezüglich einiger der in ihnen auftretenden Objekte unterscheiden. Verfügt man über die Möglichkeit, derartige Folgen nur einmal - ggf. mit geeigneter Parametrisierung - zu beschreiben und ihre Ausführung mit den evtl. erforderlichen Parameterfestsetzungen von beliebigen Programmstellen aus zu veranlassen, dann erhält man kürzere und übersichtlichere Programme. 2. Die Einführung zweckmäßig definierter Unterprogramme als Bausteine kann die Klarheit eines Programms wesentlich erhöhen. Mehrstufige P r o grammbausteinsysteme haben sich bezüglich ihrer Wartungs- und Änderungsfreundlichkeit bewährt. WIRTH [l8] publizierte das "Programmieren mit schrittweiser Verfeinerung" als Methode zur Vermeidung von Programmentwurfsfehlern. Er zielt damit auf Bausteinsysteme ab. Seine Gedanken sind mehr oder weniger Grundbestandteil aller Arbeiten über Programmiermethodologie und "Strukturierte Programmierung".

3.2. 2. Vereinbarung von Objekten und Unterprogrammen Die grundlegende Programmeinheit in PASCAL ist der Block. Seine Definition ist rekursiv: Als Bestandteil eines Blockes können weitere Blöcke auftreten. Jedem PASCAL-Block wird ein Kopf vorangestellt, worin durch sogenannte formale Parameter die Schnittstelle des Blockes mit der Umgebung definiert ist. Drei Arten von Köpfen treten auf: Ein vollständiges PASCAL-Programm ist ein Block, dem ein Programmkopf vorangeht. Für Unterprogramme gibt es Prozedur- und Funktionsköpfe.

3.2. Blöcke

31

(7) bezeichnerliste

T

• be Zeichner —

Beispiel.

I, J,K,MAX

(8) programm — • pr ogr ammkopf

; -»block-». —•

(9) programmkopf — • PROGRAM-»-be Zeichner-»•(-»• bezeichnerliste ••) —fr-

Beispiel. (10) block

PROGRAM ABRECHNUNG (INPUT, OUTPUT)

-markendeklarationsteil • • konstantende finitionsteil • ty pendefinitionsteil • variablendeklarationsteil• routinendeklarationsteil • • verbundanweisungDer Programmkopf enthält den Namen des Programms und eine Liste von Programmparametern. Der Programmname ist innerhalb des Programms bedeutungslos. Er wird erst bei der Übersetzung und Abarbeitung des Programms wichtig. Bei den Programmparametern handelt es sich um Namen von Files, die innerhalb des Programms in E/A-Anweisungen auftreten. Diese Files stellen bei der Programmabarbeitung die Verbindung zu der durch das Betriebssystem gebildeten Umgebung dar. (11) konstantende finitionsteil r y»-be zeichne —• CONSTi*bezeichner

» = j ^ jInkonstante -

"+" oder "-" stehen nur vor letztlich numerischer "konstante". B e i s p i e l . CONST PI=3.1416; A=17; MAXOiT=2147483647; E MPTY=1

1

; M1NA=-A;

32

3. Sprachbeschreibung

(12) konstante —r—• aufzählungskonstante — — » -»• reelle -zahl

•

zeichenkette

•

-*• be Zeichner "bezeichner" muß vorher im Text innerhalb eines "konstantendefinitionstsils" oder bei der Definition eines expliziten Aufzählungstyps (Abschnitt 3. 3 . ) aufgetreten sein, "der e s muß sich um einen Standardkonstantenbe Zeichner handeln. Im Konstantendefinitionsteil führt der Programmierer nach eigenem E r messen Namen für Konstanten ein. Die konsequente Verwendung benannter Konstanten erhöht neben der Lesbarkeit auch wesentlich die Änderungsfreundlichkeit eines Programms. E s ist sehr viel unangenehmer und fehleranfälliger, an zwölf verschiedenen Stellen aus einer 61 eine 71 zu machen, als diese E r setzung nur einmal in der Definition der entsprechenden Konstante vorzunehmen. (13) Variablendeklarationsteil — » V A R - ^ b e Zeichner liste-»:-»-typ-»-; — | — B e i s p i e 1. VAR I, J , N : INTEGER; X, Y, MAX, MIN: REAL; NAME, ORT: ARRAY [ l . . l ö ] OF CHAR; Durch einen Variablendeklarationsteil werden Variablenbezeichner eingeführt, und die Typangabe legt für jede Variable die Menge der Werte fest, die sie annehmen kann. In der PASCAL-Terminologie versteht man unter einem Datentyp - kurz: Typ - eine Wertmenge. Der Typ in einer Variablendeklaration wird entweder explizit beschrieben, oder man notiert einen TypbeZeichner, der einen Standardtyp kennzeichnet oder auf eine vorher notierte Typdefinition Bezug nimmt.

3 . 2 . Blöcke

33

(14) typende finitionsteil »TYPE-t» bezeichne!-» = -*typ-i B e i s p i e l . TYPE NUMMERN = INTEGER; ALFA = ARRAY (. 1.. 8.) OF CHAR; POSINT = 1.. MAXINT; Ein Typendefinitionsteil legt Bezeichner für Datentypen fest. Typbezeichner können in weiteren Typdefinitionen und in Variabtendeklarationen verwendet werden. Bei den in Prozedur- und Funktionsköpfen auftretenden Typangaben für Parameter und Funktionsresultat müssen Typbezeichner notiert werden. Die Leistungsfähigkeit einer Programmiersprache hängt wesentlich von den Datenstrukturen ab, mit denen in ihr gearbeitet werden kann. Aus diesem Grund sehen wir die detaillierte Beschreibung der PASCAL-Datentypen in den folgenden Abschnitten als zentralen Teil der Sprachdarstellung an. (15) routinendeklarationsteil

ZT"

Prozedur köpf-j»-;-T>block »funktionskopf -I

U-FORWARD -

(16) prozedur köpf — • PROCEDURE —»beze ichner-l*fparameter liste B e i s p i e l . PROCEDURE MITTELWERT(A,B: INTEGER; VAR M: REAL) ( 17) funktionskopf

.

— • FUNC TION —»be ze ichner-»-M par ameter liste

•beze ichner —*

"bezeichner" hinter " : " muß Typbezeichner eines Typs sein, der mit REAL, einem Aufzählungstyp oder einem Pointertyp (Abschnitt 3. 7. ) verträglich ist. B e i s p i e l . FUNCTION PRIMENUMBER(I: INTEGER): BOOLEAN (18) f par ameter liste be ze ichner liste-» ¡-»•be ze ichner • • VAR—»bezeichner l i s t e - » :-»bezeichner » formale-routine "bezeichner" muß ein Typbezeichner sein.

•

34

3. Sprachbeschreibung

Im Routinendeklarationsteil werden Unterprogramme vereinbart. Ein Routinenkopf hat maximal drei Bestandteile: 1. Routinename. Er muß immer vorhanden sein und wird verwendet, um die Aktivierung der Routine durch Prozeduranweisungen bzw. Funktionsaufrufe zu befehlen. 2. Liste der formalen Parameter. Sie beschreibt die Schnittstelle zwischen dem Unterprogramm und seiner Umgebung. Das heißt, sie legt die Anzahl der aktuellen Parameter fest, die der Programmierer für die Abarbeitung bereitzustellen hat, ferner die Art der Parameter, ihren Typ und die Reihenfolge ihrer Anwendung. Durch die Formalparameterliste wird die Struktur der in den entsprechenden Prozeduranweisungen bzw. Funktionsaufrufen zu notierenden Listen aktueller Parameter bestimmt. 3. Typ der Funktion. Es wird fixiert, von welchem Typ der in einem Funktionsunterprogramm berechnete Funktionswert ist. Man beachte, daß hier nur Werte aus Aufzählungstypen (darunter insbesondere INTEGER, BOOLEAN und CHAR), aus Pointertypen (Abschnitt 3. 7.) und aus dem Typ REAL erlaubt sind. Diagramm (18) zeigt, daß es in PASCAL drei Arten von Parametern gibt, Sie werden als Wertparameter, Referenzparameter und formale Routinen bezeichnet. Formale Routinen und die Arbeit mit ihnen besprechen wir in Abschnitt 3. 8.3. Wert- und Referenzparameter unterscheiden sich in der Art der Parametervermittlung. Davon ausgehend, sind bei der Unterprogrammaktivierung in der Liste der aktuellen Parameter auf den entsprechenden Positionen unterschiedliche Konstruktionen zulässig. 1. Wertparameter. In der Formalparameterliste fehlt bei ihnen das Wortsymbol VAR. Als aktuelle Parameter können Ausdrücke (Abschnitt 3. 3.2.) auftreten. Parametervermittlung: Vor der Unterprogrammabarbeitung wird einmalig der Wert des aktuellen Parameters ermittelt und einem nur innerhalb des Unterprogramms existierenden Objekt als Anfangswert zugewiesen. Alle in der Routine erfolgenden Bezugnahmen auf den formalen Parameter sind dann Zugriffe zu diesem lokalen Parameterobjekt. Mit Hilfe von Wertparametern können lediglich Werte aus der Umgebung an die Routine übermittelt werden.

3.2. Blöcke

35

Sollen in umgekehrter Richtung Werte aus einer Routine an die Umgebung v e r mittelt werden, so muß man Referenzparameter benutzen. 2. Referenzparameter. Ihnen wird in der Liste der formalen Parameter das Wortsymbol VAR vorangestellt. Als aktuelle Parameter können nur Variablen (Diagramm (32)) zugeordnet werden. Parametervermittlung: Vor der Unterprogrammabarbeitung wird einmalig das vom entsprechenden aktuellen Parameter bezeichnete Objekt bestimmt und fixiert. Alle während der Abarbeitung der Routine erfolgenden Bezugnahmen auf den formalen Parameter betreffen dann dieses Objekt. Demzufolge können mit Hilfe von Referenzparametern Werte zwischen Umgebung und Unterprogramm in beiden Richtungen übermittelt werden. In Diagramm (15) sieht man, daß als sogenannter Routinenkörper nicht nur der Block, sondern auch das Wortsymbol FORWARD möglich ist. Wir verschieben die Diskussion der damit zusammenhängenden Feinheiten in der Benutzung von PASCAL-Routinen auf Abschnitt 3. 8. Auf Diagramm (10) zurückblickend fassen wir zusammen: Die lokalen Objekte eines PASCAL-Blocks werden mit Hilfe von Konstantendefinitionen und Variablendeklarationen fixiert. Darüber hinaus ist es möglich, Unterprogramme zu vereinbaren und sie mit einem Namen sowie einer Schnittstellendefinition zu versehen. Variablen und formale Parameter werden bezüglich der bei ihnen zulässigen Werte durch Typangaben eingeschränkt. Es ist möglich - und für den Fall formaler Parameter obligatorisch derartige Wertmengen in einem Typdefinitionsteil zu benennen. Die innerhalb des Blokkes erfolgenden Aktionen werden durch eine Verbundanweisung beschrieben. (19) verbundanweisung • BEGIN iisung

END

•

Sie definiert die sequentielle Abarbeitung der durch Semikolon getrennten Komponentenanweisungen in der Reihenfolge ihrer Notation.

36

3. Sprachbeschreibung

3.2.3. Gültigkeitsbereich von Bezeichnern Wir beschließen den Abschnitt Uber PASCAL-Blöcke mit Ausführungen über den Gültigkeitsbereich von Bezeichnern. Drei Definitionen seien an den Anfang gestellt: 1. "lokal". Alle Inder Formalparameter liste, alle im Konstanten- und Typdefinitionsteil sowie alle im Variablen- und Routinendeklarationsteil (hier nur die Routinennamen) eines Blocks eingeführten Bezeichner heißen lokal zu diesem Block definiert. Die Routinen im Routinendeklarationsteil eines Blocks und ihre Körper (Blöcke) nennt man ebenfalls lokal zu dem Block definiert. 2. Verschachtelungstiefe eines Blocks. Der Hauptpragrammblock hat die Verschachtelungstiefe 0. Ein lokal zu einem Block mit der Verschachte lungstiefe n definierter Block hat die Verschachtelungstiefe n+1. 3. Deklarationspegel eines Bezeichners. Ein lokal zu einem Block mit der Verschachtelungstiefe n definierter Bezeichner hat den Deklarationspegel n+1. Per definitionem haben die PASCAL-Standardbezeichner - häufig nennt man sie vordefinierte Bezeichner - den Deklarationspegel 0. Für die Vergabe und Benutzung von Bezeichnern lassen sich drei Regeln formulieren. R e g e l 1. Alle lokal zu einem Block definierten Bezeichner müssen voneinander verschieden sein. R e g e l 2. Der Gültigkeitsbereich eines jeden Bezeichners ist der Block, in dem der Bezeichner lokal definiert ist. Hierbei beachte man eine Einschränkung: Bezeichner gelten erst ab der Programmtextstelle, an der sie eingeführt werden. (Zur einzigen Ausnahme davon siehe Abschnitt 3. 7.) Betrachten wir dieselbe Sache andersherum. Es sei eine Programmstelle in einem Block B mit der Verschachtelungstiefe k (k = 0) festgehalten. Dann gibt es eine endliche Folge von Blöcken BQ, B^, BG, . . . , B^ mit: - B ist der Hauptprogrammblock; - Bk=B; - B i + 1 ist lokal zu B. definiert (i = 0, 1, . . . , k-1).

3.2. Blöcke

37

Welche Bezeichner sind an der festgehaltenen Stelle gültig? 1. Alle vorher lokal zu B definierten Bezeichner.

2. Alle inBk_j, B k 2 B q vorher definierten Bezeichner. Nichtlokale gültige Bezeichner nennt man globale Bezeichner. Da die Namenseindeutigkeit nur innerhalb eines Blocks gefordert ist, kann es in der Menge der gültigen lokalen und globalen Bezeichner Namenskollisionen geben. Sie werden zugunsten des Bezeichners mit dem höchsten Deklarationspegel aufgelöst: R e g e l 3. Wenn ein gemäß Punkt 1. und Punkt 2. gültiger Bezeichner sowohl mit dem Deklarationspegel j als auch mit dem Deklarationspegel i (i< j) auftritt, dann gilt für alle Bezugnahmen auf ihn die Definition mit dem Deklarationspegel j. Im Abschnitt 3.6.3. werden diese Regeln ergänzt. Eine wichtige Konsequenz hieraus ist, daß auch Standardbezeichner vom Programmierer neu definiert werden können. Beispielsweise kann man zur Berechnung der Sinusfunktion eine eigene FUNCTION SIN(X:REAL):REAL;...; schreiben und damit die gleichnamige Standardfunktion außer Kraft setzen. Im Progr. 3.2 sind für die einzelnen Verbundanweisungen die jeweils gültigen Bezeichner als Kommentare notiert. PASCAL-Standardbezeichner - darunter auch IN PUT und OUTPUT - sind nicht mit aufgeführt. Man mache sich gründlich klar, auf welche Definition bzw. Deklaration wegen der Auflösung der zahlreichen Namenskollisionen jeweils Bezug genommen wird! Progr. 3. 2 Beispiel: Gültigkeit von Bezeichnern 0 PROGRAM BSP1 (INPUT,OUTPUT); 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

CONST A » 17.35 VARX,Y,Z: INTEGER; PROCEDURE.P1(F: INTEGER); VAR U,V,W: INTEGER! PROCEDURE QîVAR Z: REAL; BEGIN («GUELTIGE BEZEICHNER] A,Y,Z,P1,F,U,V,W,Q,X • ) END (»Qu); BEGIN (bGUELTIGE BEZEICHNER: A.X.Y.Z.PI.P.U.V.W.Q «) END («PI«;;

38

3.

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

Sprachbeschreibung

PROCEDURE P2(VAR R : R E A L ) ; VAR X : REAL; FUNCTION ï ( ï i R E A L ) s R E A L j VAR A : REAL; BEGIN (kGUELTIGE BEZEICHNER: Z,P1.P2,R,Ï,X,A x ) BHD ( k ï k ) ; BEGIN (kGUELTIGE BEZEICHNER: A , Z , P 1 , P 2 , R , X , Y It) END ( k P 2 K ) ; BEGIN (KGUELTIGE BEZEICHNER: A,X,Y,Z,P1,P2 « ) END ( * B S P 1 * ) .

Progr.

3. 3 z e i g t in Z u s a m m e n h a n g mit d e r V e r w e n d u n g v o n B e z e i c h n e r n

h ä u f i g a u f t r e t e n d e P r o g r a m m i e r f e h l e r und d i e R e a k t i o n d e s C o m p i l e r s d a r a u f . D e r L e s e r sollte sich a l s wichtige Übung an Hand d e r obigen D a r l e g u n g e n mit jedem einzelnen Fehler detailliert auseinandersetzen.

Zur Erläuterung des

Compilerprotokolls siehe Anhang.

Progr. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1

2 3 4

5 17 18 19

6 7

3.3

Compilerprotokoll:

Bezeichnerfehler

152 PROGRAM BSP2 (INPUT,OUTPUT) ; 152 CONST A » 1 7 . 3 ; 152 VAR X , Y , Z : INTEGER; A : REAL; xxxx !101 168 PROCEDURE P 1 ( F : INTEGER); 84 VAR U , V , W : INTEGER; 96 PROCEDURE Q; 80 VAR X : REAL; 84 BEGIN X : - A ; Y : « X ; nu» ! 129 9 U : - P x T; xxxx ! 104 11 END ( x Q x ) ; 12 BEGIN B : « A ; Q; P 1 ( Y ) ; P 2 ( Y ) END ( x P 1 x ) ; xxxx ! 104 !104 ! 59 ! 51 24 PROCEDURE P2(VAR R : R E A L ) ; 24 VAR X : REAL; 88 FUNCTION Y ( X : R E A L ) : REAL; 84 VAR A : REAL; 88 BEGIN ( x . . . * ) END ( x Y x ) ; 26 BEGIN X : - Y ; Q; X : - X + U END ( x P2 x ) ; xxxx ! 1261104! 51 !104 36 BEGIN X A ; U : - 3 ; Q; xxxx !129!104 !104!51 43 P1(X); P2(Y); xxxx f142 50 END ( x B S P 2 x ) .

7 LINES WITH 16 ERRORS FOUND I N THIS COMPILATION

3.3. Einfache Typen und Ausdrücke

39

ERROR MESSAGE(S): 51: 59: 101: 104: 126: 129: 142:

EXPECTED ERROR IN VARIABLE IDENTIFIER DECLARED W I C E IDENTIFIER NOT DECLARED NUMBER OF PARAMETERS DOESN'T AGREE WITH DECLARATION TYPE CONFLICT OF OPERANDS ILLEGAL PARAMETER SUBSTITUTION

Die dreifache Fehleranzeige bei P 2 ( . . . ) in Zeile 10 kommt zustande, weil ein nicht deklarierter Bezeichner als Variablenbezeichner interpretiert wird: Die öffnende Klammer liefert ERROR IN VARIABLE . Mit einer Variablen kann nur eine Ergibtanweisung beginnen, deshalb wird beim Erkennen von END gemeldet, daß ein := erwartet werde. Ähnlich ist die Situation bei Q in den Zeilen 16 und 17. In Zeile 16 ist Y Funktionsname. Beim Erkennen des Semikolons stellt der Compiler fest, daß keine aktuellen Parameter angegeben wurden (Fehlernr. 126). Die Programme BSP1 und BSP2 sind beide als rein formale Beispiele zu betrachten.

3.3.

Einfache Typen und Ausdrücke

Ein Datentyp in PASCAL - kurz: Typ - ist eine definierte Menge von Werten. Man unterscheidet drei Typarten: 1. Einfache Typen. Ihre Elemente werden als unteilbare, kleinste Einheiten angesehen. 2. Strukturierte Typen. Ihre Elemente sind sogenannte strukturierte Werte, die nach bestimmten Strukturierungsmethoden aus anderen - möglicherweise selbst strukturierten - Werten zusammengesetzt werden. Es gibt Operationen für strukturierte Werte, aber man kann auch Komponenten strukturierter Werte auswählen und mit ihnen operieren.

40

3. Sprachbeschreibung

3. Pointertypen. Ihre Elemente sind Pointer (Adressen), die auf speziell erzeugte Variablen verweisen. Der Typbaum (Abb. 3. 4) und das nachfolgende Diagramm (20) geben eine Übersicht über die Datentypen in der Sprache PASCAL.

einfach

- strukturiert 'REAL

REtORD

ARRAY

-

T * explizit

SET

fcinterlyp

Standard-

^^frShlungstyp^

INIE6ER

CHAR

Teilbereichstyp

B001EAN

Abb. 3.4 PASCAL-Typbaum (27)^

j-»PACKED (-»PACKED - j f»PACKED-^ fPACKED-j

aufzählungstyp — f REAL settyp recardtyp • arraytyp filetyp. -+• pointertyp be zeichner •

FILE

Bezekhner

41

3.3. Einfache Typen und Ausdrücke 3.3.1. Einfache Typen Aufzählungstypen sind endliche geordnete Mengen von Werten. (21) aufzählungstyp —i—(—»-be ze ichner liste —»•) —• BOOLEAN INTEGER CHAR

»• > •

—•konstante—.—•konstante Sogenannte explizite Auf Zählungstypen werden notiert als Aufzählung der Bezeichner der Typelemente in aufsteigender Ordnung. B e i s p i e l . Die Notation VERLIEBT, VERLOBT, VERHEIRATET, GESCHIEDEN führt die Konstantenbezeichner VERLIEBT, VERLOBT, VERHEIRATET, GESCHIEDEN ein. Sie beschreibt einen Typ, dessen Werte die Konstanten VERLIEBT, VERLOBT, VERHEIRATET und GESCHIEDEN sind. Außerdem wird definiert VERLIEBT < VERLOBT < VERHEIRATET < GESCHIEDEN. BOOLEAN, INTEGER und CHAR sind die Bezeichner für drei vordefinierte Standardtypen. Diese Standardfestlegungen sind in gewissem Umfang implementationsspezifisch. Die fünfte Zeile von Diagramm (21) beschreibt die Definition von Teilbereichtypen - kurz: Teilbereichen. Beide Konstanten müssen vom selben Aufzählungstyp sein. Außerdem muß die erste Konstante kleiner oder gleich der zweiten sein. Wenn A und B zwei diesen Bedingungen genügende Konstanten sindyy dann be s ehr e ibt A..B die Menge aller Werte x, die zum gleichen Typ wie A und B gehören und für die gilt A^x^B

42

3. Spfachbeschreibung

Beispiele.

0.. MAXINT 1..67

VERHEIRATET.. GESCHIEDEN Folgende Operatoren können auf Werte aller Aufzählungstypen angewendet werden: :=

- Wertzuweisung an Variablen,

=, < > , < , > ,

=

-Wertvergleiche (zweistellige Operationen, beide Operanden vom gleichen Typ, liefern Resultate vom Typ BOOLEAN).

Drei Standardfunktionen können auf Werte aller Auf Zählungstypen angewendet werden: PRED, SUCC und ORD. PRED(x) liefert den Vorgänger (engl, predecessor) und SUCC(x) den Nachfolger (engl, successor) des Funktionsarguments. Was geschieht, wenn PRED auf den kleinsten bzw. SUCC auf den größten Wert eines Aufzählungstyps angewendet werden, hängt von der Implementation ab. Man rechne für diesen Fall mit einem Undefinierten Resultat oder mit einem Programmabbruch. ORD(x) liefert immer ein Resultat vom Typ INTEGER. Für INTEGER-Argumente ist das Resultat gleich dem Argument. Wenn das Argument x aus einem beliebigen expliziten Aufzählungstyp ist, dann liefert ORD(x) die Position des Argumentwertes in dem Typ. Man erhält sie, indem die Werte des Typs, beginnend bei 0, auf aufeinanderfolgende nichtnegative ganze Zahlen abgebildet werden. Beispiele.

O R D ( - l l l ) = -111

ORD(IOOO) = 1000

ORD(FALSE) = 0

ORD(TRUE) = 1

ORD (VERLIEBT) = 0

ORD(GESCHIEDEN) = 3

Für Argumente vom Typ CHAR ist das Resultat implementationsabhängig. Für Werte x aus beliebigen Aufzählungstypen gilt: ORD(PRED(x)) = ORD(x)-l

(falls PRED(x) existiert),

ORD(SUCC(x)) = ORD(x)+l

(falls SUCC(x) existiert).

Mit Bezug auf Progr. 3. 6 ist ORD( ! B') = 2 und ORD('9') = 36. Bei der Beschreibung der drei Standardaufzählungstypen werden wir sehen, daß es ent-

3.3. Einfache Typen und Ausdrücke

43

sprechend der Semantik des jeweiligen Typs weitere Operationen bzw. Funktionen gibt. (22)

aufzahlungskonstante »• be Zeichner

•

boolean-konstante

•

natürliche-zahl

»

char -konstante

»

"bezeichner" ist aus der Definition eines expliziten Aufzählungstyps. Als Konstanten eines expliziten Aufzählungstyps treten die in seiner Definition notierten Bezeichner auf. Der Standardtyp BOOLEAN ist formal vordefiniert als TYPE BOOLEAN = (FALSE, TRUE); Damit ergibt sich: (23)

boolean-konstante r—• FALSE — x — * '—• TRUE J

FALSE und TRUE sind als Wahrheitswerte im Sinne der Aussagenlogik zu interpretieren. Ausgehend von dieser Semantik sind für BOOLEAN-Werte in PASCAL drei zusätzliche Operatoren erklärt, Typ BOOLEAN führen: NOT

einstellig, Negation;

AND

zweistellig, Konjunktion;

OR

zweistellig, Disjunktion.

Negation:

NOT

X

TRUE

FALSE

x

FALSE

TRUE

die wieder auf Resultate vom

44

3. Sprachbeschreibung

Konjunktion und Disjunktion: y

TRUE TRUE

TRUE FALSE

FALSE TRUE

FALSE FALSE

xAND y X OR y

TRUE TRUE

FALSE TRUE

FALSE TRUE

FALSE FALSE

X

Die elementaren Konstanten des Standardtyps INTEGER sind die in Diagramm (3) definierten natürlichen Zahlen. Der Typ INTEGER ist i. allg. durch Festkommazahlen mit der entsprechenden Arithmetik realisiert. Bei ESER-Impementationen von PASCAL umfaßt er die ganzen Zahlen x mit

Für INTEGER-Werte gibt es zusätzlich fünf zweistellige Operatoren, die INTEGER-Resultate liefern: +, *, DIV (ganzzahlige Division) und MOD (Divisionsrest). Die ersten drei bedeuten Addition, Subtraktion und Multiplikation. Zur exakten Definition der Operationen DIV und MOD betrachten wir zwei ganze Zahlen p und q mit q 4 0. Es ist dann p DIV q - sign(p/q) x [|p/q|] p MODq = p - (p DIV q) q Hierin ist 1, falls x> 0, sign(x) =• 0, falls x = 0, -1. falls x < 0 und [ z ] = größte ganze Zahl, die nicht größer als z ist.

3.3. Einfache Typen und Ausdrücke B e i s p i e l e . 13 DIV 4 = 3 13 DIV (-4) = -3

45 13 MOD 4 = 1 13 MOD (-4) = 1

(-13) DIV 4 = -3 (-13) MOD 4 = -1 + und - können auch als einstellige Operatoren auftreten. Sie bedeuten dann Identität bzw. Vorzeichenumkehr. Die Standardfunktionen ABS(x) und SQR(x) liefern den Absolutbetrag bzw. das Quadrat ihres Arguments. Das Argument x steht dabei symbolisch für einen Wert. Außerdem existiert für INTEGER-Werte noch die Standardfunktion ODD(x). Sie liefert ein Resultat vom Typ BOOLEAN, und zwar: ODD (x) = 0 DO BEGIN IF ODD(N) THEN Y : = YxX; X := SQR(X); N := N DIV 2; END; POTENZ := Y; END (x POTENZ x) Da hinter DO nur genau eine Anweisung stehen darf, fassen wir die erforderlichen drei Aktivitäten zu einer Verbundanweisung zusammen. Zwei Standardeinsatzfälle Her WHILE-Konstruktion werden bei der Behandlung der Eingabe/ Ausgabe (Abschnitt 3. 5.) vorgestellt. 3 Gegeben sei eine REAL-Zahl a. Gesucht ist Das ist gleichwertig mit 3

der Aufgabe, die Nullstellen von y = x - a zu bestimmen. Diese Nullstelle läßt sich iterativ berechnen nach der Vorschrift V i

= 3

(2x

n

+

Ii > n

(diese Formel ergibt sich unmittelbar aus dem Verfahren von NEWTON). Formuliert man als Abbruchbedingung der Iteration, daß die Differenz aufeinanderfolgender Näherungen kleiner als 10

-8

sein soll, so erhält man:

66

3. Sprachbeschreibung FUNCTION DRITTEWURZEL(A: REAL) :REAL; CONST EPS = IE-8; VAR X0,X1 : REAL; BEGIN XI := A; REPEAT XO := XI;

XI := (2. 0 x XO + A/SQR(X0))/3. 0; UNTIL ABS(X1-X0) < EPS; DRITTEWURZEL := XI; END (x DRITTE WURZEL x) Da zwischen REPEAT und UNTIL eine Anweisungsfolge stehen darf, benötigen wir hier keine BEGIN-END-Klammerung. Die Folge XQ, XJ, Xg, . . . , xn> . . . wird hier allein durch XO und XI realisiert. Wenn man beim Programmieren nicht sofort weiß, ob eine REPEAT- oder eine WHILE -Anweisung genommen werden sollte, dann ist es angebracht, probeweise beide Möglichkeiten zu notieren und erst danach zu entscheiden. Bei derartigen Überlegungen sind die folgenden zwei Äquivalenzen nützlich. A sei ein Ausdruck vom Typ BOOLEAN. S, SI, S 2 , . . . , SN seien Anweisungen. 1. Die Anweisung WHILE A DO S ist gleichbedeutend mit IF A THEN REPEAT S UNTIL A 2. Die Anweisung REPEAT SI; S 2 ; . . . ; SN UNTIL A ist äquivalent zu BEGIN SI; S 2 ; . . . ; SN; WHILE NOT A DO BEGIN SI; S 2 ; . . . ; SN END; END

3.4. Anweisungen (43)

67

f or -anweisung »FQR—•bezeichner-»:=-»ausdruck-|VrOyausdruck-»DO-» anweisung—• UDOWNTO—' "bezeichner" ist Name einer Variablen von einem Aufzählungstyp.

Die nach FOR notierte Variable nennt man Laufvariable. Die Ausdrücke müssen Werte aus dem Typ der Laufvariablen liefern. Beide Ausdrücke werden einmalig am Beginn der Ausführung der FOR-Anweisung berechnet. Sie liefern den Anfangs- und den Endwert für die Laufvariable. Der Laufvariablen werden schrittweise die Werte vom Anfangs - bis zum Endwert erteilt. In jedem Schritt wird die Komponentenanweisung genau einmal abgearbeitet. Als neuer Wert der Laufvariablen wird jeweils entweder der Nachfolger (FC®-TO-DO) oder der Vorgänger (FOR-DCfWNTO-DO) des alten Wertes benutzt. Die Anweisung FOR V := AI TO A2 DO S ist äquivalent zu BEG1N V := AI; HILF := A2; WHILE V = HILF DO BEGIN S; V := PRED(V) END; END wobei HILF eine Hilfsvariable vom gleichen Typ wie die Laufvariable V ist, die nirgendwo anders im Programm vorkommt.

68

3. Sprachbeschreibung Wichtig sind folgende zwei Festlegungen Uber di3 Laufvariable:

1. Die Laufvariable muß lokal zu dem kleinsten die FOR-Anweisung enthaltenden Block deklariert sein. 2. Der Wert der Laufvariablen ist am Ende der Ausführung der FOR-Anweisung Undefiniert. Punkt 2. besagt, daß man nicht weiß, welchen Wert die INTEGER-Variable I nach Ausführung der Anweisung FOR I := 1 TO 20 DO SUMME := SUMME + I hat! Insbesondere darf man nicht unter Berufung auf die oben angegebene Äquivalenz annehmen, daß I am Ende unseres Beispiels den Wert 21 hat. Man mache sich klar, daß in dem Programmfragment VAR I,J,K: INTEGER; K := 17; J := 12; FOR I := J TO K DO K := K + I x J; die Anweisung K := K + I x J genau sechsmal abgearbeitet wird. Ein Beispiel für eine nichtnumerische Laufvariable ist in Progr. 3. 5 enthalten. Dort haben wir: VAR CH:CHAR; •••

FOR CH :=

1

: 1 TO ' ; 1 DO BEGIN . . . EMD

3. 5. Eingabe/Ausgabe -Operationen Grundlage von Eingabe- und Ausgabe Operationen in PASCAL sind Files. (44)

file-typ FILE—fc-OF—» typ

»-

"typ" darf kein Filetyp und kein strukturierter Typ sein, der auf irgendeiner Verschachtelungsstufe einen Filetyp als Komponente enthält.

3.5. Eingabe/Ausgabe-Operationen

69

Den hinter OF notierten Typ bezeichnet man als Grund- oder Basistyp des Filetyps. Aus der Sicht des PASCA L-Typkonzepts beschreibt ein Filetyp FILE OF T die Wortmenge T* über T, d.h. die Menge aller Folgen von Elementen des Typ T einschließlich der leeren Folge. Aus der Betriebssystemsicht handelt es sich bei einer Variablen VAR F: FILE OF T; um eine sequentiell organisierte Datenmenge. Ausgehend von dieser zweiten Betrachtungsweise erscheint es verständlich, daß in der Sprache PASCAL keine Möglichkeiten vorgesehen werden, mit einem File als Ganzes zu operieren. Man kann stets nur mit der sogenannten aktuellen Fileposition - das ist ein Element der das File darstellenden Fblge arbeiten und die Filepositionen schrittweise "verschieben" bzw. auf den Fileanfang setzen. Für Bezugnahmen auf die aktuelle Fileposition wird mit der Deklaration einer Filevariablen VAR X: FILE OF T; automatisch eine Puffervariable vom Grundtyp des Files - in unserem Fall also vom Typ T - eingeführt. Man notiert die Puffervariable durch den Filenamen mit nachgestelltem Spezialsymbol 3 , für das Beispiel: X 3. (45)

file-puffer •variable »• 3 "variable" ist eine Filevariable.

In Zukunft nennen wir Filevariablen kurz Files.

3. 5.1. Definition der elementaren Standardroutinen für Files Wir führen folgende Notation ein: 1. £ kennzeichnet die leere Sequenz.

3. Sprachbeschreibung

70

2. (xO) bezeichnet die aus der einzelnen Komponente xO bestehende Sequenz (einelementige Sequenz). 3. Seien X = (xO xl . . . x m )

und Y = (yO y l . . .

y n ) Sequenzen,

dann ist X &Y =

Def. die Verkettung von X und Y. 4. Bei einer nichtleeren Sequenz X = (xO xl . . . x m ) bezeichnet first(X) = xO Def. das erste Element von X. 5. Bei einer nichtleeren Sequenz X = (xO xl . . . x m ) rest(X) = ( xl x2 . . . Def.

bezeichnet

xm)

die Sequenz ohne ihr erstes Element. Folglich gilt für jede nichtleere Sequenz X t THEN X «THEN Xö) := fir st (X 31); END ELSE FEHLER (2)

5. Fileendeerkennung. Standardfunktion mit Resultat vom Typ BOOLEAN JTRUE, falls EOF (X)

EOF(X) =

X S = £,

[FALSE sonst.

Die zwei Aufrufe der fiktiven Prozedur Fehler führen zu Mitteilungen der Art 1. PUT WITHOUT EOF 2. TRIED TO READ PAST EOF. Als Regeln merke man sich 1. PUT(X) ist nur zulässig, wenn EOF(X) den Wert TRUE hat. 2. GET(X) ist nur zulässig, wenn EOF(X) den Wert FALSE hat. Für die folgenden kleinen Beispiele definieren wir:

3. Sprachbeschreibung

72

TYPE INTFILE « = FILE OF INTEGER; Rechnerintern handelt es sich bei einem nichtleeren File um eine Folge von Festkommazahlen entsprechend der INTEGER-ZahldarStellung. B e i s p i e 1. Es soll ein File generiert werden, dessen i-te Komponente 2 ' ' den Wert i besitzt und das alle Quadratzahlen enthält, die kleiner als eine vorgegebene Zahl N sind. PROCEDURE QFILE(VAR F: INTFILE; N: INTEGER); VAR A, Q: INTEGER; BEGIN REWRITE(F); A := 1; Q := 1; WHILE Q < N DO BEGIN F S := Q; PUT(F); A := A+2; Q := Q + A END; END (xQFILE x); In einer zweiten Routine wollen wir einfach die Anzahl der vorhandenen Filekomponenten zählen. FUNCTION ANZAHL(VAR R: INTFILE): INTEGER; VAR I: INTEGER; BEGIN RESET(F); • I := 0; WHILE NOT EOF(F) DO BEGIN I := 1+1; GET(F) END; ANZAHL := I; END (x ANZAHL x); Beide Beispiele zeigen den Grundaufbau von Programmteilen, in denen mit sequentiellen Files gearbeitet wird. Insbesondere die Anweisungsfolge

3.5. Eingabe/Ausgabe-Operationen

73

RESET(F); WHILE NOT EOF(F) DO BEGIN (x Verarbeitung von F 3 x); GET(F); END; ist typisch für die Inspektion eines Files in PASCAL. Wenn ein File bis zu seinem Ende gelesen wurde, so ist i. allg. der sofortige Übergang in den Zustand des Schreibens möglich, d. h., man kann dann Komponenten anfügen. Die folgende Prozedur fügt an ein File eine Komponente an. Der Wert dieser Komponente ist gleich der ursprünglichen Fi Klänge. PROCEDURE ANHAENGEN(VAR F: INTFILE); VAR I: INTEGER; BEGIN RESET(F); I := 0; WHILE NOT EOF(F) DO BEGIN I, := 1+1; GET(F) END; F S := I; PUT(F); END (x ANHAENGEN X) ; Bemerkung.

Filetypen können nur bei Referenzparametern und nicht bei

Wertparametern auftreten. (Der fortgeschrittene Leser überlege sich die Gründe dieser Festlegung!) Als Abkürzungen sind für beliebige Files folgende zwei Standardprozeduren definiert: WRITE(F.A)

F S := A; PUT(F)

READ(F,X)

X := F 3 ; GET(F)

Hierbei sind F eine Filevariable, A ein Ausdruck, der einen Wert aus dem Grundtyp von F liefert und X eine Variable vom Grundtyp des Files F. Übungsaufgaben 1. Man benutze in den ctoigen drei Beispielen WRITE und READ. 2. Es ist eine PROCEDURE COPY(VAR F l , F2 : INTFILE)

74

3. Sprachbeschreibung

zu schreiben, die den Inhalt von F l auf F2 kopiert. Eine Ergibtanweisung F2 := Fl ist nicht definiert! 3. Man erstelle durch entsprechendes "Mischen" aus zwei aufsteigend s o r tierten Files vom Typ INTFILE ein neues sortiertes File des gleichen Typs, das alle Komponenten der Eingabefiles enthält.

3.5.2, Textfiles In PASCAL gibt es einen Standardfiletyp TEXT. Variablen vom Typ TEXT nennt man Textfiles. Die Komponenten von Textfiles sind Zeichen (d. h. Grundtyp CHAR). Gegenüber einem gewöhnlichen FILE OF CHAR hat ein Textfile folgende Besonderheiten: 1. Textfiles haben eine Zeilenstruktur. Als implementationsunabhängiges Denkmodell stelle man sich als Grundtyp von Textfiles den um ein dem Programmierer nicht direkt zugängliches Zeilenendezeichen erweiterten Typ CHAR vor. 2. Es existieren drei zusätzliche Standardroutinen: EOLN(F)

- eine BOOLEAN-wertige Funktion; liefert den Wert TRUE, wenn das Textfile F im Lesezustand ist und sich die aktuelle Fileposition auf einem Zeilenendekennzeichen befindet;

WRITELN(F)

- erzeugt ein Zeilenende;

READLN (F)

- stellt die aktuelle Fileposition auf den Anfang der nächsten Zeile, d.h., READLN(F) ist äquivalent zu BEGIN WHILE NOT EOLN(F) DO GET(F); GET(F); END

3. WRITE, WRITELN, READ und READLN erlauben eine beliebige Parameterzahl. Darüber hinaus kann man mit ihrer Hilfe nicht nur einzelne Zeichen bearbeiten, sondern auf Grund von Datenkonvertierungsoperationen ist es mög-

3.5. Eingabe/Ausgabe-Operationen

75

lieh, auch gemäß der Diagramme (3) und (4) aufgebaute Zahlen einzulesen sowie Zahlen und Zeichenketten auszugeben. In jedem Programm können zwei Standardfiles, die formal als VAR INPUT,OUTPUT: TEXT; vordefiniert sind, benutzt werden. RESET(INPUT) und REWRITE(OUTPUT) werden automatisch beim Programmstart abgearbeitet und dürfen nicht programmiert werden. Die Arbeitsmöglichkeiten mit diesen Files sind eingeschränkt: Von INPUT kann man nur lesen, auf OUTPUT nur schreiben. Wichtige Bemerkungen 1. Das Zeilenendekennzeichen ist dem Programmierer nicht direkt zugänglich. Man erzeugt es durch Aufruf der Prozedur WRITE LN. Beim Lesen eines Files stellt man es dadurch fest, daß das Prädikat EOLN(F) den Wert TRUE hat. In dieser Situation steht im Filepuffer F 3 per definitionem ein Leerzeichen! Das hat eine unschöne Konsequenz: Beim Einlesen von Lochkarten e r scheint nach jeder Karte im Filepuffer ein zusätzliches Leerzeichen. Wenn man also bei der Eingabe stets bis 80 zählt und kein READLN abarbeitet und auch nicht durch ein zusätzliches GET dieses Leerzeichen überliest, dann wird das Programm nicht korrekt arbeiten. Ein Beispiel mit dem für diesen Fehler typischen "Schräglauf" im Druckbild zeigt Progr. 3. 9. Auf jeder eingelesenen Karte standen jeweils zwei Buchstaben, ein Leerzeichen, zwei Buchstaben usw. Auf jeder Karte kam genau ein Buchstabe vor. Progr. 3.9 Zeilenendefehler 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

152 PROGRAM ZEILENFEHLER (INPUT,OUTPUT); 152 ( x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x * x x x x x x x x x x x x ) 152 VAR I , J : INTEGER; CH: CHAR; 164 BEGIN 3 POR I : » 1 TO 10 DO 12 BEGIN WRITEO ')•, 16 POR J : » 1 TO 8 0 DO 24 BEGIN READ(CH); WRITE(CH) END; 35 WRITELN(OUTPUT); 37 END; 41 END ( * ZEILENFEHLER x ) .

3. Sprachbeschreibung

76 SUCCESSFUL COMPILATION AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA BB BB BB BB BB BB BB BB BB BB BB BB 3B BB : B CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD DD EE EE EE EE EE EE EE KE KE EE EE EE El E EE FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF GG GG GG GO GG GG GG GG GG GG GG Gr GG GG HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH H HH HH II II II II II II II II II II ? II II II JJ JJ JJ JJ JJ JJ JJ JJ JJ JJ

A AA AA AA BB BB BB B ; CC CC CC DD DD DD DD E EE EE EE E FF FF FF FF •G GG GG GG GG HH HH HH HH H j.1 II II II II JJ JJ JJ JJ JJ

Der Fehler kann durch Einfügen einer Anweisung RE ADLN (INPUT) zwischen den Zeilen 8 und 9 behoben werden. 2. Nach der letzten Zeile eines Files steht immer ein Zeilenendekennzeichen. Die Konsequenz hieraus ist, daß EOF(F) nicht nach dem letzten "echten" Zeichen des Textfiles F erkannt wird sondern erst nach dem zusätzlichen Zeilenendekennzeichen. Das folgende Programmbeispiel demonstriert das Kopieren des Files INPUT auf das File OUTPUT unter Beachtung und Beibehaltung der Zeilenstruktur. Es ist als abwand lungs fähiges Musterprogramm für die Arbeit mit Textfiles zu betrachten. PROGRAM COPYTEXT (INPUT, OUTPUT); VAR CH: CHAR; BEGIN WHILE NOT EOF(INPUT) DO BEGIN WHILE NOT EOLN(INPUT) DO BEGIN READ(CH); WRITE (CH) END; WRITE LN(OUTPUT); RE ADLN (INPUT); END; END (x COPY TEXT X). Selbstverständlich müssen für andere Files als INPUT und OUTPUT am Anfang die entsprechenden Operationen RESET bzw. REWRITE programmiert werden. Für Textfiles hat die READ-Prozeduranweisung entweder die Gestalt UN) READ(F, U1 oder READ(U1 t

•

UN)

3.5. Eingabe/Ausgabe-Operationen

77

Hierbei ist F ein Textfile, und Ul, . . . , UN sind Variablen, deren Typ verträglich mit INTEGER oder CHAR bzw. REAL ist. Die Anweisung READ(U1 UN) ist äquivalent zu READ(INPUT, Ul, . . . , UN). Die Anweisung READ(F, Ul, . . . , UN) ist äquivalent zu BEGIN READ(F, Ul); ...;READ(F, UN); END. Von der Möglichkeit, den Filenamen INPUT wegzulassen, machen wir in den Beispielen ständig Gebrauch. Zu definieren bleibt die Wirkung von READ(F, U) für die drei möglichen Typen von U: 1. CHAR. In diesem Fall gilt die auf Seite 73 angegebene Definition: U := F 3 ; GET (F) . 2. INTEGER. Abarbeitung von READSIGNEDINTEGER(U). Progr. 3.10 zeigt die Deklaration dieser Prozedur. Die im Fehlerfall aktivierte Prozedur ERROR könnte die in Progr. 3. 7 gezeigte sein. Progr. 3.10 INTEGER-Eingabe von Textfiles 0 1 2 3 4 5

6

7 8 9 10 11 12 13

14 15 16

17 18 .19

PROCEDURE READSIGNEDINTEGER(VAR WERT: INTEGER); (x x) VAR I : INTEGER; NEGATIV: BOOLEAN; BEGIN WHILE INPUTS«' • DO GET(INPUT); I P ((INPUTä«'0')OR(INPUTS»'9'))

AND ClNPUTao' + ')

AND (INPUTS*»*-') THEN ERROR ( 1 ) : I P (INPUTS-'+')0R(INPUTS-*,') THEN BEGIN NEGATIV:-INPUT » • - ' ; GET(INPUT) END ELSE NEGATIV:-FALSE; I P (INPUTS 3 :9, V ) liefert TRUE I.

Einem Vorschlag von WIRTH im "Revidierten Bericht über die Programmiersprache PASCAL" [7] folgend, wird i. allg. bei der Ausgabe von Textfiles das erste Zeichen jeder Zeile als Steuerzeichen verwendet. Die Bedeutung der Steuerzeichen ist folgender Tabelle zu entnehmen. Steuerzeichen

Wirkung beim Drucken

11

einzeiliger Vorschub

'0' 1 -i

zweizeiliger Vorschub dreizeiliger Vorschub

'l'

kein Vorschub Übergang zum Anfang der nächsten Seite

Treten auf der Position des Steuerzeichens andere Zeichen auf, so bewirken sie i. allg. einen einzeiligen Vorschub. Auf häufig beobachtete Anfängerfehler eingehend, bemerken wir: 1. Unabhängig davon, ob der Programmierer bewußt ein Steuerzeichen gesetzt hat oder nicht, wird das erste Zeichen jeder Zeile als Steuerzeichen benutzt. Es erscheint im Druckbild nicht als Zeichen, sondern nur durch seine Wirkung. 2. Da die Drucker und Bildschirme eine begrenzte Zeilenlänge 1 haben, e r gibt sich ein Problem: Was geschieht, wenn ein Programm hintereinander mehr als 1 Zeichen ausgibt, ohne zwischendurch WHITELN abzuarbeiten? Wenn die Zeile voll ist, dann erfolgt automatisch der Übergang zur nächsten Zeile und das (l+l)-te Zeichen wird als Steuerzeichen für diese neue Zeile benutzt. Die Werte für 1 sind implementationsabhängig und geräteabhängig. Man sollte also nicht durch Zählen von diesem automatischen Zeilenübergang Gebrauch machen, sondern WRITE LN verwenden. Das hat den Vorteil, daß selbst bei kürzeren physischen Zeilen (etwa auf Bildschirmen) die programmierten Zeilenenden für eine definierte Gestaltung der Ausgabetexte sorgen.

84

3. Sprachbeschreibung Ein sehr instruktives Beispiel für die Textfileausgabe ist das Programm

zur Erzeugung einer Tabelle und eines Graphen der Funktion SIN(X) (Progr. 3.11). Beim Durcharbeiten achte man bewußt auf die Arbeit mit den Steuerzeichen. Progr. 3.11 Tabelle und Graph der Sinusfunktion 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

152 152 152 XA,XE,S,X,H.-REAL; 152 I , P O S : INTEGER; 172 180 1 8 0 BEGIN WRITELN(•1 TABELLE UND GRAPH S I N ( X ) * ) i 3 11 READ(XA,XE,S); WRITELN('0ANFANGSWERT»'.XA: 1 3 , 20 EirEWERT»' , X E : 1 3 , 29 SCHRITTWEITE.•,S:13); 38 I P (XA»XE) OR ( S < - 0 . 0 ) 49 THEN VfRITELN('-FALSCHE EINGABE*) 55 ELSE 64 BEGIN 65 W R I T E L N ( ' 0 \ * X ' : 6 , • !• ¡ 7 , ' S I N ( X ) • : 9 , ' ! ' : 4 ) ; 65 88 WRITEC ' ) ; POR I : - 1 TO 7 8 DO WRITE( * - * ) ; WRITELN(OUTPUT) ; 108 WRITELN(*+,,,!,:13|,!,:13t'I,!27)s 110 128 POR I s - 0 TO TRUNC((XE-XA)/S+O.5) DO BEGIN X:aXA+LxS; H : - S I N ( X ) ; 143 IP H » 0 . 0 153 THEN P 0 S : - T R U N C ( 2 5 . 0 * H + 0 . 5 ) 154 ELSE POS : » T R U N C ( 2 5 . 0 k H - 0 . 5 ) i 163 WRITELNC ' , X : 1 1 , • ! ' , H:11, • ! ' , 27+POS); 172 WRITELN('+','!':53) 202 212 END 212 END 2 1 6 END.

Wie könnte man die Zeilen 24 und 25 abändern, um das zweimalige Drucken auf dieselbe Zeile (Steuerzeichen

1

+ ' in Zeile 25) zu vermeiden?

Abb. 3 . 1 2 zeigt einen Ergebnisdruck des Programms SINUS für die Eingabewerte 0 . 0 , 6. 28 und 0 . 2 .

3.5. Eingabe/Ausgabe-Operationen

85

TABELLE DHC ORAPH SIB(Z) ANFANGSWERT-+I 0 2.000E-01 4.000E-01 6.000E-01 8.000E-01 1.000E+00 1.200E+00 1.400E+00 1.6002+00 1.800E+00 2.000E+00 2.200E+00 2.400E+00 2.600E+00 2.800E+00 3.000E+00 3.200E+00 3.400E+00 3.600E+00 3.800E+00 4.000E+00 4.200E+00 4.400E+OO 4.600E+00 4.800E+00 5.000E+00 5•200E+00 5.400E+00 5.600E+00 5.800E+00 6.000E+00 6.200E+00

0 ENDWERT» 6.28000E+00 SIN(X)

SCHRITTWEITE- 2.00000E-01

! +-

0 1.987E-01 3.984E-01 5.646E-01 7.174E-01 8.415E-01 9.320E-01 9.854E-01 9.996E-01 9.738E-01 9.093E-O1 8.085E-01 6.755E-01 5.155E-01 3.350B-01 1.411E-01 -5.837E-02 -2.555E-01 -4.425E-01 -6.119E-01 -7.568E-01 -8.716E-01 -9.516E-01 -9.937E-01 -9.962E-01 -9.589E-01 -8.835E-01 -7.728E-01 -6.313E-01 -4.646E-01 -2.794E-01 -8.309E-O2

Abb. 3.12 Druckerprotokoll Programm SINUS Für Textfiles F gibt es die zusätzliche Prozedur PAGE(F). Sie ist äquivalent zu BEGIN WRITELN(F); WRITELN(F, ' 1 ' ) ; END. Das heißt, PAGE(F) bewirkt einen Seitenvorschub beim Drucken des Files F. Die Abkürzung PAGE steht für PAGE (OUT PUT).

3. Sprachbeschreibung

86

Als abschließendes Beispiel betrachten wir eine Aufgabe, deren Inhalt bei der rechnergestützten Drucksatzerstellung eine Rolle spielt. Man lese Zeichen ein und gebe für jede Zeile eine Strukturbeschreibung aus, die für jedes gelesene Zeichen eine Kennung entsprechend folgender Tabelle enthält: Eingelesenes Zeichen

Kennung

Vokal

V

Konsonant

K

Ziffer

Z

Satzzeichen

S

Leerzeichen Sonstige Zeichen

L #

Außerdem sollen die einzelnen Zeichensorten gezählt und die Werte gedruckt werden. Progr. 3.13 zeigt ein entsprechendes Beispielprogramm und das Terminalprotokoll seiner Abarbeitung im Mehrfachzugriffsystem MS. Bei der Programmabarbeitung waren sowohl das File INPUT als auch das File OUTPUT auf das Nutzerterminal gelegt. Die zwei Doppelkreuze (# # ) vor der Statistikangabe stellen das am Terminal eingetippte Fileendekennzeichen dar. (Dem aufmerksamen Leser wird auffallen, daß hier ohne Steuerzeichen gearbeitet wurde. Das ist eine Eigenschaft der hier verwendeten PASCAL-Implementation.) Progr. 3.13 Programm und Terminalprotokoll TEXTSTRUKTUR PROGRAM TEXTSTRUKTUR ( I N P U T , O U T P U T ) ; («ucxjouixjuaauaucxiucxiuciuacjDauExxx»!) VAR CH,OUT: CHAR; G E S A M T , V , K , Z , S , L : I N T E G E R («COUNTERS»); BEGIN WRITELN(OUTPUT); GESAMT:=0; V : = 0 ; K i = 0 ; S : = 0 ; L : - 0 ; WHILE NOT E 0 F ( I N P U T ) DO BEGIN WHILE NOT EOLN(INPUT) DO BEGIN R E A D ( C H ) ;

3. 5. E i n g a b e / A u s g a b e - O p e r a t i o n e n

87

GESAMT: »GESAMT+1; OUT:> ' # ' ; CASE CH OF •A'.'E'.'I'.'O'.'U': BEGIN V : - V + 1 ; OUT:-*V' END; •B'.'C'.'D'.'F'.'G', •H','J'f'K','L','M', •N','P','Q','R','S», f^pt iyi t^yt IJ» iyi * Z ' : BEGIN K : » K + 1 ; 0 U T : - * K ' END; »5»

»gi t j i »31 i g t . BEGIN Z : - Z + 1 ; Ö U T : » ' Z ' END; 1 t t 1 t*i t . t * ? * j BEGIN S : - S + 1 ; OUT:«'S* END; • ' : BEGIN L : » L + 1 ; O U T : - ' L ' END END (xCASEx); WRITE(OUT); EEND(xWHILE NOT EOLNx); WRITELN(OUTPUT); READLN(INPUT) ; END (»WHILE NOT EOF*); WRITELN(OUTPUT); WRITELN( ' S T A T I S T I K : ' ) ; WRITELN( ' x x x x x x x x x x • ) ; WRITELN(V:5, ' VOKALE'); WRITELN(K:5, ' KONSONANTEN'); WRITELN(Z:5, * Z I P P E R N ' ) ; WRITELN(S:5, ' SATZZEICHEN'); WRITELN(L:5, ' LEERZEICHEN'); WRITELN( GESAMT-V-K-Z-S-L:5, ' SONSTIGE ZEICHEN'); WRITELN(GESAMT!5, ' ZEICHEN INSGESAMT'); END ( * TEXTSTRUKTUR ' ) . HEUTE: 5 VERSUCHE, KWKVSLZLKVKKVKKVS AUF DER FLASCHE WAR FOLGENDES SCHILD: xxxxx VVKLKVKLKKVKKKVLKVKLKVKKVKKVKLKKKVKKSI####» WIE WAR'S AM 27. 3 . 80? KWLKVK#KLVKLZZSLZSLZZS WO GIBT ES 5 1/4 % ZINSEN? KVLKVKKLVKLZLZ#ZL#LKVKKVKS MEHR VERSUCHE MACHEN WIR NICHT. KVKKLKVKKVKKVLKVKKVKLKVKLKVKKKS «ff STATISTIK: xxxxxxxxxx 33 VOKALE 60 KONSONANTEN 9 ZIFFERN 8 SATZZEICHEN 24 LEERZEICHEN 8 SONSTIGE ZEICHEN 142 ZEICHEN INSGESAMT

B e i d e r a r t i g e r B i l d s c h i r m a r b e i t ist die R e i h e n f o l g e d e r A b a r b e i t u n g v o n R E A D I 4 N und W R I T E L N ä u ß e r s t w i c h t i g . A l s Ü b u n g s a u f g a b e ü b e r l e g e m a n s i c h , w i e d a s T e r m i n a l p r o t o k o l l a u s s ä h e , w e n n z w i s c h e n den Z e i l e n END ( * WHILE NOT E O L N *); und END ( » W H I L E N O T E O F *);

3. Sprachbeschreibung

88

programmiert wäre READLN(DüPUT); WRITE LN(OUTPUT);

3. 6.

Strukturierte Datentypen

Die Elemente strukturierter Datentypen sind strukturierte Werte. Ein strukturierter Wert setzt sich aus sogenannten Komponentenwerten zusammen. Diese Zusammensetzung erfolgt nach bestimmten Strukturierungsmethoden. PASCAL stellt vier Strukturierungsmethoden bereit. Die strukturierten Datentypen werden dementsprechend benannt. 1. FILE

- Werte sind beliebig lange Folgen von Werten des Grundtyps

(Abschn. 3. 5.); 2. SET - Werte sind Mengen von Werten des Grundtyps; 3.' ARRAY - Werte sind Tupel von Werten des Grundtyps; 4. RECORD - Werte sind Tupel von Werten aus möglicherweise verschiedenen Komponententypen. Be me r k u n g e n 1. Die in die Bildung von FILE-, ARRAY- und RECORD-Strukturen einbezogenen Komponenten können selbst strukturiert sein. 2. Im Fall von SET-, ARRAY- und RECORD-Strukturen wird es möglich sein, sowohl mit dem strukturierten Wert als Gesamtheit zu operieren, als auch auf einzelne Komponenten bezug zu nehmen. Hieraus ergibt sich die Frage nach einem Komponentenselektor. 3. Gemäß Diagramm (20) kann einem strukturierten Datentyp das Wortsymbol PACKED vorangestellt werden. Laut Sprachdefinition [lcT] "hat das keinerlei Wirkung auf die Bedeutung des Programms; es ist ein Hinweis für den Compiler, daß der Speicherplatz ökonomisch vergeben werden soll, selbst wenn dadurch der Zugriff verlangsamt und sogar wenn dadurch der Code erweitert werden sollte, der benötigt wird, um den Zugriff zu den Komponenten der Struktur auszudrücken". Für die Wertzuweisungen zwischen gepackten und ungepackten ARRAY-Strukturen sind die Standardprozeduren PACK und UNPACK vorge-

3.6. Strukturierte Datentypen

89

sehen. Die genaue Wirkung des PACKED-Attributes ist stark implementationsabhängig. Den fortgeschrittenen Leser, der PASCAL wirklich verwendet, verweisen wir hierzu auf die Benutzungshinweise der ihm zur Verfügung stehenden Sprachimplementation.

3.6.1. SET-Typen (46)

set-typ • SET—•OF—»• typ » "typ" ist ein Aufzählungstyp mit implementationsspezifisch beschränktem Umfang.

Den hinter OF angegebenen Typ bezeichnet man als Grund- oder Basistyp des SET-Typs. Ein SET-Typ beschreibt die Potenzmenge seines Basistyps. B e i s p i e l e . TYPE TAGE = SET OF 0.. 31; ZEICHEN = SET OF CHAR; ZUSTAND = SET OF (AKTIV, BEREIT, WARTEND); Seien MIN und MAX das kleinste bzw. größte Element des Basistyp6 eines SET-Typs. MIN und MAX müssen folgender Bedingung genügen 0 = ORD(MIN) = ORD(MAX) = setmax, wobei setmax eine implementationsabhängige Konstante ist. In der von uns genutzten PASCAL-Implementation ist setmax = 63. Einzelne Werte aus SET-Typen werden notiert als sogenannte Mengenkonstruktion. (47)

menge nkonstruktion

Beispiele.

[l3, 4.. 7, 29, l ] ,

[+',

' 0*..'»] , H ] .

Das dritte Beispiel beschreibt die leere Menge. Alle in einer Mengenkonstruktion auftretenden Ausdrücke müssen Werte desselben Typs liefern. Diese Werte W müssen der Bedingung

90

3. Sprachbeschreibung 0 = ORD(W) = setmax

genügen. Die Konstruktion A1..A2 beschreibt die Menge aller Werte X vom selben Typ wie AI und A2 mit AI = X = A2 . Für Werte aus SET-Typen sind folgende Operatoren erklärt: :=

- Wertzuweisung an Variablen;

K, +, -

-Durchschnitt, Vereinigung, Mengendifferenz (zweistellige Operationen);

=, < > , = - Mengenvergleiche (zweistellige Operationen, Resultattyp: BOOLEAN);

IN

- Enthaltensein eines Elements (zweistellige Operation, Resultattyp: BOOLEAN).

Die Operanden der Operatoren x, +, =, < > , = müssen von v e r träglichem Typ sein. Zwei SET-Typen sind verträglich, wenn ihre Grundtypen verträglich sind. Die leere Menge ist mit jedem SET-Typ verträglich. Beim Operator IN muß der linke Operand einen Wert aus dem Basistyp der rechts zu notierenden Menge haben. Mengenkonstruktionen und der Operator IN werden häufig zur Realisierung von Wertvergleichen und deren Verknüpfung benutzt. Sei A eine INTEGER Variable. Für den unübersichtlichen Ausdruck (A=10) OR (A >=17) AND (A = bedeuten = bzw. = . Man beachte, daß das echte Enthaltensein einer Menge in einer anderen nur über die Verknüpfung zweier Vergleiche beschreibbar ist. S1 und S2 seien verträgliche Mengen.

3.6. Strukturierte Datentypen

91

"SIC S2" ist zu notieren als (S1 S2). "SI OS2" ist zu notieren als (S1 >=S2)AND(S1< > S2). In einem Programmbeispiel für die Arbeit mit Mengen soll die Menge aller in einem Text auftretenden Zeichen gedruckt werden. PROGRAM ZEICHENMENGE (INPUT, OUTPUT); VAR CH: CHAR; M: SET OF CHAR; BEGIN M:=[]; WHILE NOT EOF(INPUT) DO BEGIN READ(CH); M:=M+ [CH] ; END; WRITE (' ') ; FOR CH:= T O ' ; ' DO IF CH IN M THEN WRITE (CH); WRITE LN (OUTPUT); END (* ZEICHENMENGE *) . Die Menge M wird als leere Menge initialisiert. Dann werden durch fortgesetzte Vereinigungsbildung von M mit der das aktuelle Zeichen enthaltenden Einermenge die auftretenden Zeichen gesammelt. Ausgehend von der Annahme, daß ein Text gewiß Leerzeichen enthält, wurde die Zeilenstruktur nicht berücksichtigt.

3.6.2. ARRAY-Typen (48)

array-typ

"typ" zwischen den eckigen Klammern muß ein von INTEGER verschiedener Aufzählungstyp bzw. ein Bezeichner eines solchen Typs sein.

92

3. Sprachbeschreibung

Die innerhalb der eckigen Klammer stehenden Typen bezeichnet man als Indextypen. Ihre Anzahl nennt man Dimension des ARRAY-Typs. Hinter OF ist der Komponententyp des ARRAY-Typs anzugeben. Beispiele.

TYPE VEKTOR = ARRAY

[l..lo] OF REAL; ALFA =

ARRAY [ 1 . . 8 ] OF CHAR; MATRIX = ARRAY [ l . . 2 0 , 1 . . 20] OF REAL; LISTE = ARRAY [lOO.. 130] OF ALFA; Wie jeder Typ kann auch der ARRAY-Typ Variablen zugeordnet werden, z. B. VAR M: MATRIX; K: VEKTOR; E s ist dann rfnalog zu solchen sprachlichen Bildungen wie "IKTEGER-Variable" auch üblich, von ARRAY-Variablen oder von Feldvariablen, allgemein von Feldern zu sprechen. Für Werte aus ARRAY-Typen sind folgende Operatoren definiert: := =,

- Wertzuweisung an Variable; < >

- Vergleich verträglicher (s. Definition S. 55) ARRAY-Werte (zweistellig, Resultat: BOOLEAN)

Für gepackte eindimensionale Felder mit dem Komponententyp CHAR gibt es zwei zusätzliche Möglichkeiten: 1. Die Relationsoperatoren < , < =, > und > = sind bei gleicher Komponentenanzahl definiert. Der Vergleich erfolgt lexikographisch entsprechend der Ordnung im Zugrunde liegenden Typ CHAR. 2. In Ergibtanweisungen kann eine Zeichenkette (Diagramm (5)) gleicher Länge zugewiesen werden. Wir betrachten zunächst ARRAY-Typen, bei denen nur ein Indextyp notiert ist, man spricht von eindimensionalen ARRAY-Typen. Die Werte eines solchen Typs sind Datenstrukturen, deren Komponenten alle vom gleichen Typ (Komponententyp) sind. Die Anzahl der Komponenten ist gleich der Anzahl der Elemente des Indextyps. Zur Veranschaulichung dieser Datenstruktur stelle man sich eine Tabelle vor, deren Zeilen mit den Werten des Indextyps gekennzeichnet sind und je ein Element des Komponententyps enthalten.

3.6. Strukturierte Datentypen Beispiel. 1 2

3 4 5 6

93

VEKTOR REAL REAL REAL REAL REAL REAL

7 8 9

REAL REAL

10

REAL

REAL

Ausgehend von dieser Vorstellung ist es naheliegend, die Komponentenauswahl durch Angabe eines Wertes aus dem Indextyp zu realisieren. (49)

array -komponente • variable [~|»ausarucK ausdruck —p —• "variable" ist von einem ARRAY-Typ; Anzahl des Auftretens von "ausdruck" und Typ der Werte entsprechend den Indextypen im ARRAYTypvon "variable".

B e i s p i e l e . VAR A: VEKTOR; NAME: ALFA; M: MATRIX; Gültige ARRAY-Komponenten sind: A [7] NAME [3] M[5,5]. Mehrdimensionale Felder werden auf eindimensionale zurückgeführt. Die Notation TA = ARRAY[T1, T2 TN]OF T ist zu interpretieren als Abkürzung für TA = ARRAY[Tl] OF ARRAY [T2, T 3 , . . . , TN] OF T; also letztlich als TA = ARRAY [Tl] OF ARRAY [ T 2 ] OF

ARRAY [TN] OF T;

94

3. Sprachbeschreibung

Dementsprechend ist für eine Variable vom Typ TA die Komponente V [AI, A2 als Abkürzung für V [AI] [A2, usw. bis V[Al][A2][A3] zu verstehen. Alle diese

AN] AN] . . . [AN] Schreibweisen sind erlaubt.

Als erstes Beispiel für die Arbeit mit ARRAY-Typen formulieren wir in einem Programmfragment einige Manipulationen mit Vektoren. CONST I = 10; TYPE VEKTOR = ARRAY [ l . . L ] 0 F REAL; VAR VI, V2 :VEKTOR; MAX, S :REAL; I, MAXI: INTEGER; 1. Beide Vektoren mit Nullen belegen: FQR I := 1 TO L DO V l [ l ] : = 0. 0; V2 := VI; Ein Vektor muß komponentenweise belegt werden. Für den zweiten Vektor genügt eine Ergibtanweisung, in der mit den Vektoren als Ganzes operiert wird. 2. Summe der Elemente von VI berechnen: S := 0. 0; FOR I := 1 TO L DO S := S + Vi [i]; 3. Skalarprodukt von VI und V2: S := 0. 0; FOR I := 1 TO L DO S := S + Vi [ i ] « V2 [ i ] ; 4. Bestimmung der betragsgrößten Komponente und ihres Index: MAX := ABS (VI [ l ] ); MAXI := 1; FOR I := 2 TO 10 DO IF ABS (V [ i ] ) > MAX THEN BEGIN MAX := ABS(V [l]); MAXI := I END; 5. Gegeben seien folgende Typdefinitionen: CONST M = 10; N = 20; K = 8; TYPE TM= 1 . . M; TN= 1 . . N; TK= 1 . . K;

95

3. 6. Strukturierte Datentypen MNMAT = ARRAY [TM, TNJ OF REAL; NKMAT = ARRAY [TM, TK] OF REAL; Die letzten drei Typen beschreiben Matrizen.

Die folgende Prozedur berechnet das Produkt einer (MxN)-Matrix mit einer (N«K)-Matrix. PROCEDURE MATMULTf

A:MNMAT; B:NKMAT; VAR C-.MKMAT);

VAR I, J , L: INTEGER; S: REAL;

.

BEGIN FOR I := 1 TO M

(x ZEILENINDEX x) DO

FOR J := 1 TO K (x SPALTENINDEX x) DO BEGIN S := 0. 0; FOR L := 1 TO N DO S := S + A [i, L ] x B [L, j ] ; C [ l , j J := S END; END (x MATMULT x) ; Diese Multiplikation ist nur für Matrizen der in der Parameterliste spezifizierten Typen geeignet, d. h., für andere Matrizenausmaße braucht man andere Prozeduren. Zur Überwindung dieses Nachteils schlagen wir folgenden Weg vor: Man definiert einen Typ, der eine Matrix von gewissen maximalen Ausmaßen beschreibt. Für konkrete Aufgaben belegt man solche Matrizen nur in der "linken oberen Ecke". Ferner übergibt man in drei zusätzlichen INTEGER-Parametern die höchsten benutzten Indizes. Es werden dann M, N und K lokale B e zeichner. Ü b u n g s a u f g a b e . Man formuliere nach öbigem Beispiel die Produktbildung Matrix x Vektor.

96

3. Sprachbeschreibung

Als Beispiel für ARRAY-Typen mit nichtnumerischem Indextyp behandeln wir folgende Aufgabe: Es ist ein Text einzulesen. Dabei soll die Häufigkeit des Auftretens der Buchstaben erfaßt und anschließend abnehmend sortiert gedruckt werden. PROGRAM HAEUFIGKEIT (INPUT, OUTPUT) ; VAR ANZAHL: ARRAY [ V .. CH, CHI, CHMAX: CHAR; MAX: INTEGER; BEGIN

'z'J OF INTEGER;

FOR CH := 'A' TO ' Z ' DO ANZAHL [ C H ] := 0; WHILE NOT EOF(INPUT) DO EEGIN READ(CH); IF CH IN [ A 1 . .

'Z'J THEN

ANZAHL [CH] := ANZAHL [CH] + 1 ; END; FOR CH := 'A' TO 'Z 1 DO BEGIN MAX := ANZAHL [ V ] ; CHMAX := ' A 1 ; FOR CHI := ' A' TO ' Z1 DO IF ANZAHL [CHl] > MAX THEN BEGIN CHMAX := CHI; MAX := ANZAHL [CHl] ; END; WRITELN(CHMAX:2,':':2, MAX:5); ANZAHL[CHMAX] := -1; END; END (x HAEUFIGKEIT x).

3 . 6 . 3 . RECORD-Typen (50)

record-typ •> RECORD —•datenfeldliste—+ END

+>

97

3.6. Strukturierte Datentypen (51)

datenfeldliste >-»• fester-teil

(52)

fester-teil • bezeichner

variantenteil

n

•typ-

Wir betrachten zunächst nur RECÖRD-Typen ohne Variantenteil. Die auftretenden Bezeichner nennt man Datenfeldbezeichner. B e i s p i e le TYPE KOMPLEX = RECORD REÍ REAL; IM: REAL END; DATUM = RECORD TAG: 1..31; MONAT: 1..12 JAHR: 1800.. 2000 END; PERSON = RECORD NAME,VORNAME: ALFA; GEBURT: DATUM; GESCHLECHT:(M, W); GEHALT: INTEGER END; Für das erste Beispiel könnte man auch schreiben: TYPE KOMPLEX = RECORD RE, IM: REAL END; Die Werte von RECORD-Typen sind Datenstrukturen, die aus den in der Datenfeldliste aufgeführten Komponenten bestehen. Zur Veranschaulichung stelle man sich einen solchen Wert als Tabelle vor, deren Zeilen mit den einzelnen Datenfeldbezeichner n markiert sind und je ein Element des entsprechenden Typs enthalten. B e i s p i e l . DATUM TAG 1 . . 31 MONAT 1 . . 12 JAHR 1800 . . 2000

98

3. Sprachbeschreibung

Ausgehend von dieser Vorstellung ist es naheliegend, die Komponentenauswahl durch Angabe eines Datenfeldbezeichners zu realisieren. (53)

re cor d -komponente variable——•bezeichner "variable" ist von einem RECORD-Typ. "bezeichner" muß in der Datenfeldliste des Typs von "variable" auftreten.

Beispiele.

VAR K: KOMPLEX; HEUTE: DATUM; P: PERSON;

Gültige RECORD-Komponenten sind: K. IM K.RE

HEUTE. TAG HEUTE. MONAT

P. NAME P.GESCHLECHT

Man vergleiche außerdem das einführende Beispiel in Abschnitt 2. Wenn eine Komponente selbst wieder strukturiert ist, dann können mehrere Selektoren aufe inander folgen. P.NAME [ l j bezeichnet den ersten Buchstaben des Datenfeldes NAME der Variablen P; P. GEBURT. JAHR bezeichnet das Datenfeld JAHR im Datenfeld GEBURT der Variablen P. Für Werte aus RECORD-Typen sind analog zu den ARRAY-Typen drei Operatoren definiert: := =, < >

Wertzuwe isung an Var iable; Vergleich verträglicher RECORD-Werte (zweistellig, Resultat: BOOLEAN).

Als Beispiel für die verschachtelte Verwendung von ARRAY- und RECORDTypen betrachten wir die Deklaration VAR A: ARRAY [l . . N] OF PERSON und lösen die Aufgabe:

3.6. Strukturierte Datentypen

99

Man ermittle die Zahl der im Mai geborenen Frauen mit über 1000 M Gehalt, deren Familienname mit G beginnt. Das folgende Programmfragment leistet das Verlangte: VAR Z, I: INTEGER;

Z := 0; FOR I := 1 TO N DO IF (A[l]. GESCHLECHT = W) AND (A[l] . GEBURT. MONAT = 5 ) AND (A[l] .GEHALT > 1000 ) AND (A[l] .NAME[I]= ' G ' ) THEN Z := Z + 1; Zur Vereinfachung der Schreibweise bei gehäuften Zugriffen auf Komponenten der gleichen RECORD-Variablen gibt es die WITH-Anweisung. (54)

with-anweisung » WITH-j-fcvariable-p^DO—»anweisung - y » variable - y » I Jede auftretende "variable" muß eine RECORD-Typ-Variable sein.

Wenn nur eine Variable angegeben ist, dann hat die WITH-Anweisung folgende Bedeutung: In der Komponentenanweisung können Bezugnahmen auf die Komponenten der Variablen durch alleinige Notation der Datenfeldbezeichner realisiert werden. Be i s p i e 1 WITH HEUTE DO BEGIN TAG := 1; MONAT := 4; JAHR := 1980; END; steht für

100

3. Sprachbeschreibung

HEUTE. TAG := 1; HEUTE. MONAT := 4; HEUTE. JAHR := 1980; Das obige Programmfragment lautet unter Verwendung der WITH-Anweisung: Z := 0; FC« I := 1 TO N.DO WITH A [ i ] DO IF (GESCHLECHT = W) AND (GEBURT. MONAT = 5) AND (GEHALT > 1000) AND (NAME [ l ] = ' G ' ) THEN Z := Z + 1; Eine WITH-Anweisung WITH V1,V2... VN DO S mit mehreren Variablenangaben ist äquivalent zu WITH Vi DO WITH V2, V3 VN DO S Im Zusammenhang mit den RECORD-Strukturen macht sich eine Ergänzung der Ausführungen von Abschnitt 3.2.3. (Gültigkeitsbereich von Bezeichnern) erforderlich. Jede» RECORP -Typ stellt ein neyes Verschachtelungsniveau dar: Die DatenfeldbeZeichner einer lokal zu einem Block mit der Verschachtelungstiefe n (d.h. im Typdefinitions- oder Variablendeklarationsteil dieses Blockes) auftretende RECORD-Struktur erhält den Deklarationspegel n+2. Wird in dieser Situation der Typ eines Datenfeldes als expliziter Aufzählungstyp angegeben, so erhalten die notierten Konstantenbezeichner den Deklarationspegel n+1. Für verschachtelte RECORD-Strukturen gilt sinngemäß das gleiche. Durch eine WITH-Anweisung mit einer Variablenangabe wird ein Gültigkeitsbereich für die Datenfeldbe Zeichner des entsprechenden RECORD-Typs eingeführt. Er umfaßt genau die hinter DO notierte Anweisung. Die Regeln 1 bis 3 aus Abschnitt 3. 2.3. gelten sinngemäß. Gegeben seien folgende Variablendeklarationen VAR TAG: INTEGER; Dl, 1)2 DATUM; Wenn innerhalb der WITH-Anweisung

WITH Dl DO S

3. 6. Strukturierte Datentypen

101

der Bezeichner TAG benutzt wird, dann bezieht er sich auf Dl. TAG. Die Variable TAG ist innerhalb der WITH-Anweisung nicht erreichbar. Innerhalb der WITH-Anweisung WITH Dl, D2 DO S bezieht man sich mit den Datenfeldbezeichnern TAG, MONAT, JAHR auf D2. TAG, D2. MONAT und D2. JAHR. Man beachte den Unterschied zwischen WITH P, GEBURT DO S und WITH P. GEBURT DO S Als Bestandteil von S ist die Notation TAG := 1 in beiden Fällen korrekt, GEHALT := 890 jedoch nur im ersten Fall. Bemerkung.

Die WITH-Anweisung stellt nicht nur ein formales "Aus-

klammern" der RECORD-Variablen dar, sie hat auch eine Wirkung bei der Pr ogr ammaus fUhr ung: Bei Abarbeitung der Variablßnliste werden die konkreten, angegebenen Objekte bestimmt und festgehalten. Jede durch direkte Angabe eines Datenfeldbezeichners ausgedrückte Bezugnahme erfolgt auf die entsprechende Komponente eines festgehaltenen Objekts. Diese Eigenschaft ist bei der Verwendung von WITH-Anweisungen für ARRAY -Komponenten und dynamische Variablen (Abschnitt 3. 7.) zu beachten. Für die zweite Fassung des obigen Beispiels ergibt sich, daß die Zeile WITH A [ i ] DO nicht vor die Laufanweisung gezogen werden kann. Wir betrachten ein neues Beispiel. Wir wollen Punkte in der Ebene durch Koordinaten beschreiben. In die Betrachtung beziehen wir sowohl kartesische Koordinaten als auch Polarkoordinaten ein. TYPE TKART = RECORD X, Y : REAL END; WINKEL = REAL; T POLAR = RECORD R : REAL; PHI : WINKEL END;

102

3. Sprachbeschreibung

Da es Regeln zur Umrechnung zwischen beiden Koordinatenarten gibt, reicht es, die Lage eines Punktes in einer der zwei Formen zu speichern und sich zusätzlich zu merken, welche Form vorliegt. Hierfür eignet sich die durch den Variantenteil in den RECORD-Typen der Sprache PASCAL definierte Datenstruktur. Für unser Beispiel sieht das folgendermaßen aus: Wir definieren uns einen neuen RECORD-Typ mit zwei Datenfeldern. Das erste Datenfeld ist vom Typ (POLAR, KARTESISCH). Der Typ des zweiten ist die Vereinigung von TKART und TPOLAR, d. h., die Werte können sowohl aus dem einen als auch aus dem anderen Typ stammen. Das erste Datenfeld zeigt an, welche Art Wert z. Z. im zweiten vorliegt. Diese informal beschriebene Konstruktion hat folgende Syntax: (55)

variantenteil » CASE; -r»beZeichner - j » bezeichner —»: —•: -j»-bezeichner -^»-bezeichner—• —• OF UF-y*vari -r»variante -

Der Bezeichner zwischen CASE und : ist der Name des sogenannten Anzeigefeldes (engl, tag field). Nach dem Doppelpunkt folgt die Typangabe für das Anzeigefeld. Hier sind nur Bezeichner für Aufzählungstypen zulässig. Nach OF folgt die Variantenliste. (56)

Variante

T

> aufzählungskonstante —r»: —»(—»• datenfe ldliste —••)

»

"aufzählungskonstante" muß vom Typ des zugehörigen Anzeigefeldes sein. Jede Variante besteht aus der Beschreibung "ihrer" Datenstruktur und der Angabe der Werte des Anzeige feldes, die das Vorliegen dieser Datenstruktur anzeigen. Das Anzeigefeld ist nur syntaktisch ausgezeichnet. Man kann mit ihm a r beiten wie mit jedem anderen Datenfeld. Insbesondere ist der Programmierer selbst dafür verantwortlich, daß es den richtigen Wert erhält.

103

3 . 6 . S t r u k t u r i e r t e Datentypen F ü r u n s e r Koordinatenbeispiel können wir d e f i n i e r e n : TYPE KOART = (POLAR, KARTESISCH); KOORDINATE = RECORD CASE ART: KOART O F POLAR: (R: REAL; FHI: WINKEL ); KARTESISCH: (X,Y -.REAL) END

Die Beschreibung d e s Typs KOORDINATE enthält keinen f e s t e n Teil. Zum T y p KOORDINATE gehören E l e m e n t e von zwei v e r s c h i e d e n e n Sorten. ART

ART

POLAR

R

X

PHI

Y

KARTESISCH

E s w ä r e widersinnig, mit E l e m e n t e n d e r e r s t e n Art s o zu a r b e i t e n , a l s w ä r e n sie von d e r zweiten. Häufig bietet sich h i e r die CASE-Anweisung an, wobei die Aktionen entsprechend d e m Wert d e s Anzeigefeldes der traglichen RECORD-Variablen ausgewählt werden. Als B e i s p i e l h i e r f ü r f o r m u l i e r e n wir eine Funktion, die den Abstand zweier durch W e r t e d e s T y p s KOORDINATE b e s c h r i e b e n e r Punkte e r m i t t e l t . FUNCTION ABSTAND(A, B : KOORDINATE) : REAL; BEGIN CASE A . A R T O F POLAR: ABSTAND :=SQRT(SQR(A. R)+SQR(B. R) - 2 . OHA.R*B.RKCOS(A. PHI-B. PHI)); KARTESISCH: ABSTAND:=SQRT(SQR(A.R*SIN(A. PHI)-B. Y) +SQR(A.R«COS(A. PHI)-B.X)) END; KARTESISCH: CASE B.ART O F

104

3. Sprachbeschreibung POLAR: ABSTAND :=SQRT(SQR(A. Y) -B. R*SIN(B. PHI)) +SQR(A.X)-B.RxCOS(B. PHI))); KARTE SISCH: ABSTAND :=SQRT(SQR(A. Y-B. Y)+SQR(A. X-B. X)) END END

END (KABSTAND*) ; Wenn diejenigen RECQRD-Typen, die in einem Varianten-RECORD vereinigt werden sollen, gemeinsame Datenfelder enthalten, dann entsteht ein RECORDTyp mit festem Teil und Variantenteil. Als Beispiel definieren wir einen Typ, der so ähnlich in PASCAL-Compilem zur Buchführung über Könstanten benutzt wird. Im festen Teil speichert man den Namen der Konstanten. Im Variantenteil halten wir die Werte unterschiedlichen Typs fest. TYPE TYPEN = (INT, REELL, BOOL, CAR); KONSTANTE = RECORD NAME: ALFA; CASE KTYP: TYPEN OF INT : (I: INTEGER); REELL: (R: REAL); BOOL : (B: BOOLEAN); CAR : (C: CHAR) END; Für die Beschreibung bestimmter Sachverhalte, bei denen Objekte verschieden benutzt werden, ist es möglich, zwischen CASE und OF nur den Typ der Anzeige zu notieren. Dann existiert kein Anzeigefeld. Folglich kann man sich bei der Verarbeitung auch nicht danach richten. Derartige Konstruktionen sollten nur mit größter Vorsicht benutzt werden, da sie sehr fehleranfällig sind. Wir verzichten deshalb auch auf Beispiele. Zum Abschluß dieses Abschnitts über strukturierte Datentypen empfehlen wir dem Leser, sich selbständig mit dem etwas umfangreicheren Progr. 3.14 zur Tabellierung von Polynomen bis maximal 30. Grades auseinanderzusetzen.

3.6. Strukturierte Datentypen Progr. 3.14 Polynomtabellierung 0 PROGRAM POLTAB (INPUT.OUTPUT); 1

2 CONST 3 NMAX = 30; 4 5 TYPE 6 POLYNOM = RECORD 7 GRAD: O..NMAX; 8 KOEFF: ARRAY(.0..NMAX.)0F REAL 9 END; 10 11 VAR 12 P,P1: POLYNOM; 13 ANFANG,ENDE,SCHRITT,X: REAL; 14 I : INTEGER; 15 16 PROCEDURE LIESPOL(VAR P: POLYNOM); 17 VAR 18 I: INTEGER; 19 BEGIN WITH P DO 20 BEGIN READ(INPUT,GRAD); 21 POR I:=GRAD DOWNTO 0 DO READ(INPUT,KOEFF(.I.)); 22 END; 23 END; 24 25 PROCEDURE SCHREIBEP0L(P: POLYNOM); 26 VAR 27 I : INTEGER; 28 BEGIN WITH P DO 29 BEGIN WitITiJLN(OUTPUT, ' ïOLYiiOi.i VuU ' , ' GRADE' ,GRAJJ :3 ) ; 30 WttlTE(OUTPUT, ' KOÛMZIÛJTjîl, : ' ) ; 31 POR I:=GRAD DOWNTO 0 DO 32 BEGIN WRITE(OUTPUT,KOEFF(.I.)) ; 33 IP (ÛUAD-I) MOD 5 = 4 34 THEN BEGIN WRITELN(OUTPUT) :. 35 WRITE(OUTPUT,' 1 :15); 36 END; 37 END; 38 WRITELN(OUTPUT); 39 IP GRAD MOD 5 4 THEN WRITELN(OUTPUT ) ; 40 END; 41 END; 42 43 PROCEDURE ABLEITUÎIG(P: POLYEOM; VAR A: POLYHOM); 44 VAR 45 I : INTEGER; 46 BEGIN 47 FOR I :=P.GRAD DOWNTO 1 DO 48 A.KOEFF(.1-1.):=I*P.KOEFF( .1.) ; 49 IF P.GRAD >= 1 50 THEN A.GRAD:=P.GRAD-1 51 ELSE BEGIN A.GRAD:=0; 52 A.KOEFF(.0.):=0.0; 53 ElìD; 54 END; 55 56 FUNCTION P0L(P; P0LÏN0M; X: REAL): REAL; 57 VAR 58 H: REAL; 59 I : INTEGER;

105

106

3. Sprachbeschreibung

60 61 62 63 64 65

BEGIN WITH P DO BEGIN H:=KOEFF(.GRAD.); POS I:=GRAD-1 DOWNTO 0 DO H : = H a & + K O E ? j ? ( . I . ) ; END; POL:=H; END;

66

67 68 69

BEGIN READ(ANFANG,ENDE,SCHRITT); WHITELN ( ' 1TABELLIERU1IG EIHKS POLYNOI.IS');

WHITELN ( ' 3üfKXX3EXXK3UüüüöOÖE jEXKäötiGÜÜÜE 1 ) ;

70

71 YiRITELN( OUTPUT); 72 L I E S P O L ( P ) ; SCHREIBEPOL(P); 73 ABLEITUNG ( P , P 1 ) ; 74 WRITE1N('OSCHRITTIVEITE: ' , SCHRITT); 75 W R I T E L N ( ' 0 ' , ' X ' : 8 , 1 ! ' : 7 , ' P ( X ) ' : 9 , ' ! ' : 6 , "P 1 ' ( X ) ' : 1 0 ) ; 76 Y/RITELHC '); 77 X:=ANFANG; I : = 1 ; 78 REPEAT 79 W R I T E L N ( X : 1 4 , ' ! • : 2 , P O L ( P , X ) : 1 3 , ' ! • : 2 , POL(P1 , X ) : 1 3 ) ; 80 X :=ANPANG+IatSCHRITT; I : = I + 1 ; 81 UNTIL X>ENDE; 8 2 END.

3. 7.

Pointertypen und dynamische Variablen

Im Variablendeklarationsteil eines Blocks wird festgelegt, wieviele Variablen von welchem Typ existieren. Da zur Programmlaufzeit an den Festlegungen aus dem Deklarationsteil nichts geändert werden kann, bezeichnet man deklarierte Variablen auch als statisch eingeführte oder kürzer als statische Variablen. Bisweilen ist es erforderlich, Informationsverarbeitungsprozesse zu beschreiben, bei denen nicht vorher bekannt ist, wieviele Objekte eines bestimmten Typs benötigt werden. Man denke etwa an eine Liste, deren Länge von den Eingabedaten abhängt. (In einem Compiler kann das eine Be Zeichner liste sein; ihr Umfang hängt von dem übersetzten Programm ab.) Angesichts statischer Variablen bleibt nur eine Lösung: Man legt sich auf eine Maximalzahl von Variablen fest. (Beispielsweise arbeitet das Programm POLTAB wegen einer solchen Festlegung nur für Polynome maximal 30. Grades.) Wählt man diese Maximum zu klein - etwa im Fall der Be Zeichner liste eines Compilers -, dann stößt man bei der Abarbeitung oft an die Grenzen. Richtet man die Deklaration auf Extremfälle ein, dann wird i. allg. sehr viel Speicherplatz unnütz blockiert.

3. 7. Pointertypen und dynamische Variablen

107

Aus dieser Situation entsteht der Wunsch nach sogenannten dynamischen Variablen, die bei Bedarf zur Programmlaufzeit erzeugt und nach Möglichkeit auch wieder vernichtet werden können. Die Programmiersprache PASCAL stellt dem Programmierer einen Apparat für die Erzeugung und Vernichtung dynamischer Variablen und eine Notation für Bezugnahmen auf dynamische Variablen bereit. (57)

pointertyp »-be Zeichner

»

"bezeichner" ist der Name eines Typs, der keine FILE-Typ-Komponente enthält. Abweichend von den in Abschnitt 3. 2.2. formulierten Regeln für die Benutzung von Bezeichnern darf hier ein Typbezeichner stehen, der erst später, aber im gleichen Block definiert wird. Die Werte von Pointertypen sind Pointer (Verweise, Zeiger) auf dynamisch erzeugte Objekte. (Rechnerintern sind Pointer Adressen.) Sei T ein geeigneter Typbezeichner. Der d u r c h 3 T beschriebene Pointertyp ist an den Typ T "gebunden": Seine Werte verweisen auf Objekte des Typs T. Es gibt eine Pointerkonstante, sie wird durch NIL bezeichnet. Der Wert NIL verweist auf kein Objekt. Er gehört zu allen Pointertypen. Für die Arbeit mit Werten aus Pointertypen gibt es drei Operatoren: := < > Wertzuweisung an Variablen, =,

Pointervergleich (zweistellig, Resultat: BOOLEAN).

In allen drei Fällen müssen die Operanden verträgliche Typen besitzen. Pointertypen sind verträglich, wenn ihre Grundtypen verträglich sind. Zur Erzeugung dynamischer Variablen gibt es die auf beliebige Pointervariablen X anwendbare Standardprozedur NEW(X) Gegeben sei eine an den Typ T gebundene Pointervariable P, d. h. VAR P: 3 T; Die Abarbeitung von NEW(P) bewirkt dreierlei:

108

3. Sprachbeschreibung 1. Erzeugung einer Variablen vom Typ T; 2. Erweiterung des Typs 3 T um einen Pointer auf die erzeugte Variable;

3. Der neuentstandene Pointer wird zum Wert der Variablen P gemacht. Dem Punkt 2. liegt entsprechend der PASCAL-Auffassung vom Typ als Wertmenge die Vorstellung zu Grunde, daß anfangs jeder Pointertyp nur den Wert NIL enthält. Variablen, die Uber NEW(...) erzeugt werden, heißen dynamische Variablen. Pointerwerte entstehen - mit Ausnahme von NIL - nur durch Abarbeitung der NEW-Prozedur. Man beachte die sich daraus ergebende Folgerung: E s ist unmöglich, mittels eines Pointers auf eine deklarierte Variable zu verweisen (es können nicht Adressen als Werte zugewiesen werden)! (58)

dynamische -variable »-variable »-3 "variable" ist von einem Pointertyp. Be i s p i e 1. Ausgehend von der Deklaration VAR P: 3T; bedeuten P P 3

eine statische Variable, die als Werte Pointer auf dynamische Variablen vom Typ T annehmen kann und die dynamische Variable vom Typ T, auf die P verweist, wenn P < > NIL.

Bemerkungen 1. P3 muß nicht unbedingt existieren. Eine notwendige Voraussetzung für die Ausführbarkeit des durch P 3 notierten Zugriffs ist, daß P einen definierten, von NIL verschiedenen Wert hat. 2. Im obigen Beispiel ist die Pointervariable eine statische Variable. Interessant für dep Aufbau komplizierterer Datenstrukturen ist der Fall, daß Pointertypen als Komponenten dynamischer, strukturierter Variablen auftreten. Wir stellen in diesem Abschnitt noch ein Beispielprogramm für die Arbeit mit sogenannten einfach-verketteten Listen vor. Im Abschnitt 4.6. besprechen wir eine andere, häufig verwendete Datenstruktur, den binären Baum.

3. 7. Pointertypen und dynamische Variablen

109

Zur Vernichtung dynamischer Variablen gibt es die Standardprozedur D IS POSE (X). P sei eine Pointervariable. Außerdem müssen wir voraussetzen, daß P S existiert. Die Abarbeitung von DISPOSE (P) bewirkt die Freigabe des von P 9 belegten Speicherplatzes. In vielen PASCAL-Implementaticmen ist an Stelle von DISPOSE(X) eine andere Standardprozedur realisiert. Unter den oben formulierten Voraussetzungen bewirkt RELEASE (P) die Freigabe sämtlicher seit dem Zeitpunkt der Erzeugung von P ä> neu mit dynamischen Variablen belegten Speicherplätze. Was geschieht, wenn bei einem Zugriffsversuch Uber P 3 bzw. der Abarbeitung von DISPOSE(P) oder RELEASE(P) keine dynamische Variable P S existiert, ist implementationsabhängig. Man rechne mit einem Programmabbruch. Wir wollen ein Programm schreiben, das Namen einliest. Am Schluß sollen alle aufgetretenen Namen und die Häufigkeit ihres Auftretens ausgegeben werden. Zunächst definieren wir: TYPE ALFA = ARRAY EVL

[l..8]

OF CHAR;

= RECORD

1NH: ALFA; ANZAHL: INTEGER; NACHFOLGER: S EVL END; Der RECQRD-Typ EVL (von einfach verkettete Liste) enthält außer den Datenfeldern zum Abspeichern der in der Aufgabenstellung verlangten Information noch ein drittes Datenfeld NACHFOLGER. Es ist vom Typ 3 EVL, d. h., in ihm kann ein Verweis auf eine dynamische Variable vom Typ EVL gespeichert werden. Auf diese Weise haben wir die Möglichkeit, eine Kette von Elementen des Typs EVL aufzubauen. Mit VAR ANFANG: 3 EVL; läßt sich das grafisch wie in Abb. 3.15 veranschaulichen.

3. Sprachbeschreibung

110

ANFANG

Abb. 3.15 Verketten von Listenelementen Der Wert von ANFANG zeigt auf das erste Kettenelement. Das Datenfeld NACHFOLGER des letzten Kettengliedes enthält als Endekennzeichen den Wert NIL. Das Progr. 3.16 löst die oben formulierte Aufgabe. Die Prozedur SUCHE verbucht den als Parameter Ubergebenen Namen. Folgende Fälle treten auf: 1. Liste ist noch leer. Man erzeugt das erste Listenelement. 2. Man sucht in der Liste nach dem gefragten Namen, dazu wird eine Hilfsvariable schrittweise auf die Kettenelemente gestellt. 2.1 Name vorhanden. Man hat lediglich im Datenfeld ANZAHL den Wert 1 zu addieren. 2.2 Ende der Liste erreicht und Name nicht vorhanden. Anhängen eines neuen Elements. Die Prozedur PRINT erzeugt das verlangte Protokoll. Das Hauptprogramm ist für die Bildschirmarbeit im Mehrfachzugriffsystem MS eingerichtet. Progr. 3.16 Einfach verkettete Liste 0 PROGRAIJ EOFACHV3HKÜTTETJLISTB (IITPUT,OUTPUT) 1 2 TYPE 3 ALFA = ARHAY(.1..8.)0F CHAR; 4 2VL = RECORD 5 IUH: AUA) 6 ANZAHL: INTEGER; 7 NACHFOLGER: 8EVL 8 EHD; 9 PZUEVL = 3EVL;

10

11 12 13 14 15 16 17

VAR ANFANG > 8EVX; Is INTEGER; NAM: ALFA; PROCEDURA SUCHE(NAMEj ALFA); VAR H: 3EVL;

3.8. Ergänzungen zum Routinenkonzept

111

18 BEGIN 19 I P ANFANG=NIL THEN 20 BEGIN NEW(H); 21 H3.INH:=NAME; Hó)jUIZAHL:=1 ; Hfl.NACHFOLGER:=NIL; 22 ANFANGs=H; 23 END 24 ELSE ( * LISTE I S T NICHT LEER * ) 25 BEGIN H:=ANFANG; 26 WHILE (HÖ.NACHF0LGERONIL) AND (H3.IHHONAI.IE) DO 27 H:=HS»NACHFOLGER; 28 I F H».INH->NAME THEN 29 H S . ANZAHL :=H8«ANZAHL+1 30 ELSE ( k NEUE EINTRAGUNG EINRICHTEN * ) 31 BEGIN NEW(H3.NACHFOLGER); 32 WITH H3.NACHF0LGER3 DO 33 BEGIN INH:=NAME; ANZAHL:=1; NACHFOLGER¡=NIL EÌÌD; 34 END; 35 END; 36 END ( * SUCHE • ) ; 37 38 PROCEDURE PRINT; 39 VAR H: 3EVL; 40 BEGIN H:=ANFANG; 41 WHILE H O N I L DO 42 BEGIN WRITELN(Hö.INHs9 r Hö.ANZAHL:4) ; 43 H:=Hä>.NACHFOLGER; 44 END; 45 WRITELNC ' ) : / 46 END ( x PRINT k ) ; 47 4 8 BEGIN (h H A U P T P R O G R A M M H) 49 50 ANFANG:=NIL; 51 WRITELNC NAMEN EINGEBEN B I S # # • ) ; 52 READLN(INPUT); 53 WHILE NOT EOF(INPUT) 30 54 BEGIN I : = 0 ; 55 WHILE ( I < 8 ) AND NOT E0LN(INPUT) DO 56 BEGIN I ¡ = 1 + 1 ; R E A D ( N A M ( . I . ) ) END; 57 FOR I : = I + 1 TO 8 DO K A M ( . I . ) t = ' ' ; 53 SUCHE(NAH); 59 Ri!ADLN( INPUT); 60 END; 61 PRINT; 62 63 END .

3. 8.

Ergänzungen zum Routinenkonzept

3.8,1. FQRWARD-Deklarationen Der Gültigkeitsbereich von Bezeichnern beginnt in PASCAL-Programmen von der Stelle ihres Auftretens in Deklarationen bzw. Definitionen (vgl. Abschnitt 3. 2.2.). Diese Festlegung kann zu Komplikationen beim Programmieren füh-

3. Sprachbeschreibung

112

ren, wenn in dem eine Prozedur oder Funktion darstellenden Block weitere, global definierte Routinen aufgerufen werden. Da Rekursion erlaubt ist, könnte also die Prozedur A die Prozedur B aufrufen, B ruft C auf, und in C wird A aufgerufen. Es müßte dann B vor A, C vor B und A vor C deklariert sein, was sich offensichtlich widerspricht. Zahlreiche PASCAL-Implementationen haben deshalb das (zusätzliche) Wortsymbol FORWARD eingeführt (vgl. Diagramm (15)). FQRWARD ersetzt den die Routine darstellenden Block, so daß die Routinenvereinbarung auf den Routinenkopf und eben diese Wortsymbole schrumpft. Die Bedeutung dieses Wortsymbols besteht darin, daß fixiert wird, daß die Vereinbarung des die Routine beschreibenden Blocks an späterer Stelle im Programm erfolgt. Beispiel.

PROZEDURE A(X: REAL; I , J : INTEGER; R l : R2: T2); FORWARD;

An dieser "späteren Stelle", wo also der durch die Prozedur definierte Algorithmus codiert ist, darf der Parameterteil der Kopfzeile nicht wiederholt werden. Der Compiler identifiziert den Namen mit dem aus der FGRWARD-Deklaration bekannten und verwendet die dort angegebene Liste der Formalparameter. Be i s p i e 1 PROCEDURE A;

(x LOKALE DEFINITIONEN UND DEKLARATIONEN VON A *)

BEGIN (x ANWEISUNGSTEIL VON A x) END (x A x);

3.8. Ergänzungen zum Routinenkonzept

113

3.8.2. Rekursive Routinen Prozeduren und Funktionen können in PASCAL rekursiv definiert werden. Die Feststellung sagt aus, daß im Anweisungsteil einer Prozedur /Funktionsdeklaration dieses Prozedur/Funktion selbst aufgerufen werden kann. Beispie 1 FUNCTION A(I, J : INTEGER): INTEGER; BEGIN IF T THEN X:= A(K+1, L+l); END (x A x); Erfahrungsgemäß macht es gewisse MUhe, sich an die Benutzung der Rekursion zu gewöhnen. Deshalb sei an dem einfachen Beispiel der rekursiv definierten Fakultätsfunktion f(k) = k • f(k-l) = k! = k . (k-1)! das Programmieren erläutert. Progr. 3.17 Fakultät 0 PROGRAM FAKULTAET (INPUT,OUTPUT); 1 VAR 2 I , N : INTEGER; 4 FUNCTION FAK(KsINTEGER): 5 VAR F , I : INTEGER; 6 BEGIN 8 FOR I : - 2 TO K DO 9 F:»F»I; 10 FAK:«F 11 ENS (»PAK x ) ; 12 13 FUNCTION FAKR(K:INTEGER): 14 BEGIN 15 I F K>1 THEN 16 FAKR:«KxFAKR(K-1) 17 ELSE 18 FAKR:»1 19 END; 20

INTEGER;

INTEGER; .

114 21 22 2? 24 25 26

3. Sprachbeschreibung

BEGIN WRITELN( OUTPUT, • -FAKULTAET • ) ; READ(INPUT,N); FOR I : « 1 TO N DO WRITELN( OUTPUT, I , F A K ( I ) , FAKR ( I ) ) ; END ( x FAKULTAET x ) .

1. Es sind zwei Funktionen zur Berechnung von k! angegeben, nämlich die Funktion FAK (Zeilen 4 bis 11) und die Funktion FAKR (Zeilen 13 bis 19). Bei beiden Funktionen wird vorausgesetzt, daß beim Aufruf der aktuelle Parameter aus dem Definitionsbereich der Funktion k! ist. Es wird in diesem Beispiel auch nicht berücksichtigt, ob der Definitionsbereich der INTEGER-Implementation überschritten wird. Da 13! = 6 22 7 020 800 > 2 174 483 647, so könnte 13! in der ESER-Implementation von PASCAL nicht mehr berechnet werden. (Wie müßte die Funktion geschrieben sein, um auch die Berechnung von Werten > 13! zu gestatten?) 2. In der Funktion FAK wird k! durch wiederholtes Multiplizieren berechnet. Das geschieht in der FOR-Anweisung. Das Produkt wird danach dem Funktionsnamen als Wert zugewiesen (Zeile 10). 3. Die Funktion FAKR ist rekursiv definiert. Ist nämlich K > 1 so wird FAKR mit dem aktuellen Parameter K-l aufgerufen. Dieser Aufruf erfolgt solange, bis FAKR mit einem aktuellen Parameter aufgerufen wird, dessen Wert 1 ist. Das führt bei diesem (letzten)Aufruf auf die Ergibtanweisung FAKR :- 1 und danach zu dem vorletzten Aufruf, wo 2 • FAKR(l) = 2! gebildet wird. Letztlich ergibt sich nach sukzessiver Beendigung aller Aufrufe k!. 4. Das Hauptprogramm in den Zeilen 21 bis 26 gibt nach Eingabe einer Zahl N die Werte 1! bis M ! aus, wobei die Berechnung sowohl mit FAK als auch mit FAKR erfolgt. Im Abschnitt 4. 6. behandeln wir ein weiteres Beispiel zur Verwendung r e kursiver Prozeduren. Es sei noch bemerkt, daß die Rekursion auch durch die Verschachtelung mehrerer Prozeduren Zustandekommen kann. Wir deuteten das schon im letzten Abschnitt an. Wirklich sinnvolle Beispiele sind dafür jedoch so aufwendig, daß sie den Rahmen dieses Buches sprengen.

3.8. Ergänzungen zum Routinenkonzept

115

3. 8.3. Formale Routinen Wir wollen in diesem Abschnitt die Frage behandeln, wie man in PASCAL Verfahren formuliert, die ihrerseits andere, selbständig formulierbare Verfahren benutzen. Drei Möglichkeiten wurden bereits besprochen, nämlich 1. das von einer Prozedur oder Funktion zu benutzende Verfahren wird lokal deklariert, 2. das untergeordnete Verfahren wird vor der übergeordneten Prozedur deklariert; der Prozedurbezeichner ist dann in dem die Prozedur darstellenden Block gültig, 3. die Bezeichnung der untergeordneten Prozedur wird in einer FORWARDDeklaration eingeführt. Zur Illustration dieser drei Notationsmöglichkeiten betrachten wir die Aufgabe, ein Verfahren AP zur Bestimmung der Koeffizienten eines Approximationspolynoms zu programmieren, in dem die erforderlichen Wertepaare durch den Aufruf einer Funktion F bereitgestellt werden. Den drei obigen Fällen entsprächen dann folgende Notationen: Zu 1. PROCEDURE AP (x APPROXIMATIQNSPOLYNOM x) (N: INTEGER (x GRAD x); VAR A: KOEFFIZIENTEN); FUNKTION F(X: REAL): REAL: (x ES FOLGT DER DIE FUNKTION F DARSTE LLENDE BLOCK x BEGIN . . . END (x F x); BEGIN (x ANWEISUNGSTEIL, DARIN AUFRUF VON F x) END (x A x);

3. Sprachbeschreibung

116 Zu 2.

FUNCTION F(X: REAL): REAL; (x SIEHE 1. x) END (x F x); PROCEDURE A P ( . . . ) ; : (x SIEHE 1. x) END (x AP x);

Zu 3.

PROCEDURE A P ( . . . ) ; FUNCTION F(X: REAL): REAL; FORWARD; BEGIN . . . END (x AP x); FUNCTION F; END (x F x);

Damit ist prinzipiell die Aufgabe lösbar. Allerdings haben alle drei Pragrammkonstruktionen den Mangel, daß die Prozedur AP stets genau eine Funktion benötigt, die - als weitere Einschränkung - den Namen F hat. Dieser Mangel ist dadurch behoben worden, daß Prozeduren und Funktionen auch Ober den Mechanismus der Parametervermittlung an eine übergeordnete Prozedur bzw. Funktion vermittelt werden können. Bevor wir die Syntax des Prozedurkopfs angeben, sei das obige Beispiel ein viertes Mal aufgegriffen, weil e s intuitiv zu verstehen ist. PROCEDURE AP (N: INTEGER (x GRAD x); VAR A: KOEFFIZIENTEN; FUNCTION F : REAL); BEGIN (* HIER ERFOLGT DER AUFRUF VON F(X) x) END (x AP x);

3.8. Ergänzungen zum Routinenkonzept

117

Die Prozedur AP kann nun aufgerufen werden, wobei die "formale Funktion" F durch den Bezeichner einer aktuellen Funktion ersetzt wird, z . B . . . . ; AP(6, AGAMMA, GAMMA); . . . Die Notierung entspricht der Syntax des PASCAL-Berichts. In der Praxis der PASCAL-Implementierungen wird jedoch die Syntax von formalen Prozeduren bzw. formalen Funktionen meist abweichend davon definiert, indem gefordert wird, daß der formale Parameter auch Angaben über die Parameter enthält, die beim Aufruf der formalen Prozedur/Funktion zu verwenden sind. Da diese Handhabung in PASCAL 360 [j2(f] realisiert ist und den Standardisierungsbestrebungen entspricht (j2l], folgen wir im Syntaxdiagramm (59) dieser Tendenz. (59)

formale -routine FUNCTION—»bezeichner—»• fparameter liste — » • be zeichner > PROCEDURE-»-be ze ichner — • parameter liste

n

Die formale Funktion des obigen Beispiels ist bei Zugrundelegung der Syntax gemäß (59) abzuändern in FUNCTION F(X: REAL): REAL; Betrachtet man das Beispiel genauer, so fällt auf, daß innerhalb von AP auch ein Verfahren zur Lösung eines linearen Gleichungssystems benötigt wird, da ja die zu berechnenden Koeffizienten von P ( x ) = A x n + A .x 11 " 1 + . . . + A.x + A n n n-1 1 o sich aus

W

=

A

n*T

+

Vl^"1 + • • • + Vi

+ A o für i = 1 , . . . ,

n+l

ergeben. Setzen wir voraus, daß diese Prozedur zur Lösung eines linearen Gleichungssystems ebenfalls Uber die Parametervermittlung an die Prozedur AP vermittelt werden soll, dann wäre der Prozedurkopf

3. Sprachbeschreibung

118

PROCEDURE AP (N: INTEGER; VAR A: KOEFFIZIENTEN; FUNCTION F(X: REAL): REAL; PROCEDURE LGLS(M: MATRIX; V: RECHTESEITE; VAR X: LOESUNG)); zu notieren. Es sind noch einige Bemerkungen zu mehrstufigen Ver schachte hingen von formalen Routinen erforderlich. 1. Das Syntaxdiagramm (59) zeigt, daß die Typen der Parameter der formalen Prozeduren/Funktionen durch Typbezeichner angegeben werden müssen und daß insbesondere die Parameter formaler Prozeduren/Funktionen wiederum formale Prozeduren/Funktionen sein können. Die Namen der "formalen Parameter" der formalen Routinen sind dabei belanglos. 2. In bezug auf die Verträglichkeit formaler und korrespondierender aktueller Prozeduren/Funktionen sind folgende Bedingungen zu beachten: (1) Die Parameter listen müssen die gleichen Anzahlen von Parametern enthalten, und korrespondierende Parameter müssen vom gleichen Typ sein; das gilt auch für formale und aktuelle Prozeduren/Funktionen. (2) Die Parametervermittlung muß für korrespondierende Parameter gleich sein. (3) Ist der Parameter einer formalen Prozedur/Funktion wiederym eine formale Prozedur/Funktion, so gelten auch dafür die Bedingungen (1) und (2). B e i s p i e l . Es gelten folgende Prozedurköpfe bzw. Funktionsköpfe: PROCEDURE PI (I : INTEGER; FUNCTION F (VAR X: REAL; I; INTEGER): REAL; FUNCTION PHI1 (VAR X : REAL; I : INTEGER) : REAL; FUNCTION PHI2 (X : REAL; I : INTEGER) : REAL; Dann wäre die Prozeduranweisung PI (J, PHI1) richtig, wenn J vom Typ INTEGER ist, PI (J, PHI2) falsch, weil PHI 1 und PHI 2 nicht dieselbe Parameterbehandlung haben.

3. 9. Marken und GOTO-Anweisungen

119

Im übrigen spielen bei der Behandlung formaler Prozeduren/Funktionen i.allg. implementationsspezifische Festlegungen eine Rolle, so daß unseres Erachtens eine weiterführende Diskussion nicht allgemein möglich ist.

3.9.

Marken und GOTO-Anweisung

In ähnlicher Weise wie Variablen benannt werden und dann über den Namen symbolisch adressierbar sind, können auch Anweisungen symbolisch benannt werden. Diese Bezeichner für Anweisungen heißen Marken. Sie sind syntaktisch vorzeichenlose, ganze Zahlen. (60)

marke > Ziffern

Im Programm benutzte Marken müssen vereinbart werden. Die Markenvereinbarung hat die Form (61)

markenvereinbarungsteil

Der Markenvereinbarungsteil legt alle Marken fest, die in dem Block lokal sind. Diese Marken können als Zielangaben in sogenannten GOTO-Anweisungen benutzt werden. Der Markenvereinbarungsteil steht am Anfang eines Blocks (vgl. Diagramm (10)). B e i s p i e 1.

LABEL 1, 2; CONST PI = 3.14159;

Eine vereinbarte Marke kann einer Anweisung vorangestellt werden, sie wird dann von der Anweisung durch Beispiel.

:

getrennt.

. . . ; 1 : IF . . . ; . . .

3. Sprachbeschreibung

120

Das Erreichen einer so gekennzeichneten Anweisung ist durch die GOTO-Anweisung (eine elementare Anweisung) möglich. (62)

goto-anweisung »GOTO—»marke

Beispiel.

—

. . . ; 2 : X := Y ; . . . ; GOTO 2;

Die GOTO-Anweisung darf nur lokal in dem Block benutzt werden, in dem die Marke deklariert ist. Allgemein ist zu raten, den Gebrauch von GOTO-Anweisungen zu vermeiden. Der Verzicht auf GOTO-Anweisungen zwingt den Programmierenden zu einer strukturierten, übersichtlichen Anlage seines Programms.

4. Zusammenfassende Beispiele mit Diskussion

Das Erlernen einer Programmiersprache ist durch passives Durcharbeiten eines Lehrtextes unseres Erachtens nicht möglich. Nur eine aktive produzierende Auseinandersetzung mit Syntax und Semantik einer Sprache erzeugt Gefühl für die Programmiersprache und führt zur sicheren Verwendung. Ein Schritt auf diesem Wege ist es, korrekte, vom Inhalt her einfache Programme durchzuarbeiten, um die Unsicherheit zu Uberwinden, die der Lernende beim Schreiben von Programmen empfindet. Wir meinen, daß das Durcharbeiten von Programmen der schnellste und sicherste Weg zur Beherrschung einer Programmiersprache ist. Deshalb stellen wir in diesem Abschnitt einige Programme für numerische und nichtnumerische Aufgaben vor. Die Programme mögen gleichzeitig als Muster für die Verwendung der zuvor einzeln behandelten Sprachelemente dienen.

4.1.

Primzahlzerlegung

Als erstes Beispiel diene ein Programm zur Zerlegung einer ganzen Zahl in Primfaktoren. (Das Vorzeichen bleibt in der Faktorenangabe unberücksichtigt.) Progr. 4.1 zeigt das Compilerprotokoll und das Protokoll dei Objektzeit des Programms mit dem Druckbild für die Testbeispiele (In bezug auf die mit ADDR über sehr iebene Spalte verweisen wir auf den Anhang.)

122

4. Zusammenfassende Beispiele mit Diskussion

Progr. 4.1 Compiler- und Lautzeitprotokoll für Programm PRIMFAKTOREN (.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

152 PROGRAM PRIMFAKTOREM (INPUT,OUTPUT) ; CONST PMAX = 3 0 ; 152 152 TYPE FAKTOREN = ARRAYC1. .PMAXJOF INTEGER ; VAR I , J , K . Z A H L : INTEGER; 152 ZERLEGUNG: FAKTOREN; 168 288 288 PROCEDURE PRIMZERLEGU1IG(Z: INTEGER; TAR P : FAKTOREN; 84 VAR I s INTEGER ); 88 VAR I X , J : INTEGER; 92 BEGIN 100 Z:=ABS(Z); J : = 1 : 3 WHILE NOT ODD(Z) DO 9 BEGIN P C J 3 : = 2 ; J : = J + 1 ; Z:=Z DIV 2 END; 133 IX:=3; 28 30 WHILE Z 0 1 DO I F Z MOD I X = 0 THEN 34 BEGIN P C J J : = I X ; J : = J + 1 ; Z:=Z DIV I X END 40 ELSE I X : = I X + 2 ; 54 I:=J-1; 60 END ( * PRIMZERLEGUNG * ) ; 65 66 66 BEGIB (* H A U P T P R O G R A M M *) 66 WRITELNC-BEISPIELE FUER PlilHFAKTOREiJZERLEGUNG' ) ; WRITELN(10'); 74 80 WHILE NOT EOF(INPUT) DO BEGIN READLN(ZAHL); WRITE(ZAHL, ' : ' ) ; J : = 1 ; 84 PRIMZERLEGUNG ( ZAHL »ZERLEGUNG, I ) ; 99 FOR K : = 1 TO I DO 104 BEGIN 112 I F J < 1 0 THEM J : = J + 1 112 ELSE 117 121 BEGIN WRITELN(OUTPUT); J : = 1 ; WRITEC ' :11 ) ; 125 END; 129 WRITE(ZERLEGU1IGCK] : 6 ) ; 129 END; 137 WRITELN(OUTPUT); 141 END; 143 END ( * P R I M P A K T O R E N m) . 144

SUCCESSFUL COMPILATION BEISPIELE FUER PRIMPAKTORiälJZKitLEGUNG 960 16 21 144 5555 83 4913 1293600 -111 1001 4096 23456789

2 2 3 2 5 83 17 2 7 3 7 2 2 3

2 2 7 2 11 17 2 11 37 11 2 2 3

2 2

2 2

2 101

2

17 2 13 2 2 3607

3

5

2

5

5

2

2

2

3803

4 . 1 . Primzahlzerlegung

123

Erläuterungen 1. Die Primzahlzerlegung darf höchstens 30 Faktoren enthalten, da in 31 PASCAL für ESER-Anlagen 2 -1 die größte darstellbare Zahl ist. Deshalb wird durch die Typdefinition in Zeile 2 ein Vektortyp mit 30 Komponenten eingeführt, der der Variablen ZERLEGUNG (Zeile 4) zugeordnet wird. 2. Die Primfaktorzerlegung erfolgt mittels der Prozedur PRIMZERLEGUNG (Zeilen 6 bis 20). 3. Diese Prozedur wird in Zeile 27 des Hauptprogramms für verschiedene Textwerte aktiviert, die sich aus dem Einlesen von Datenkarten (Zeile 26) e r geben. 4. Im Hauptprogramm erfolgt weiterhin das Ausdrucken der zu zerlegenden Zahl (Zeile 26) und der Primfaktoren (Zeile 35). (Wo erfolgt die Wertzuweisung für I ?) Zur Erzeugung eines übersichtlichen Druckbildes ist zusätzlich eine Variable J eingeführt worden, die die Primfaktoren pro Zeile zählt (Zeile 30) und die Ausgabe einer Zeile veranlaßt, wenn 10 Primfaktoren geschrieben wurden (Zeilen 32/33). Den Test hierzu findet man z.B. bei der Zerlegung von 1 293 600. 5. Die Prozedurvereinbarung enthält den Wertparameter Z, symbolische Bezeichnung der zu zerlegenden Zahl, und die Referenzparameter P und I. Dabei bezeichnet P eine Vektorvariable zur Aufnahme der Primfaktoren. Die Variablendeklaration in Zeile 9 legt Bezeichner für lokale Variablen fest. 6. Der im Prozedurrumpf (Zeilen 10 bis 20) codierte Algorithmus besteht im wesentlichen aus einem Zyklus, der den Primfaktor 2 abspaltet (Zeilen 12 bis 13) und einer Zerlegung der danach vorliegenden ungeraden Zahl. Die Zerlegung des ungeraden Rests erfolgt so, daß die Teilbarkeit durch 3, 5, . . . , 2n+l geprüft wird (Zeile 16), im Fall von Teilbarkeit eine Reduktion durchgeführt wird (Zeile 17) und der gefundene Faktor in P gespeichert wird (Zeile 17), und zwar bis durch Reduktion 1 entstanden ist (Zeile 15). Der Leser überlege sich noch folgende Fragen: (1) Wie werden 0, 1 und -1 behandelt? (2) Welche Konsequenzen hätte es, wenn in Zeile 6 Z als Referenzparameter spezifiziert wäre? (Abschnitt 3.4. 2.)

124

4. Zusammenfassende Beispiele mit Diskussion

(3) Was würde sich am Ergebnisdruck ändern, wenn in Zeile 7 VAR vor P fehlt? (4) Ist IX > V z \ so sind weitere Zerlegungsversuche sinnlos (warum?). Der Leser versuche, das Programm entsprechend abzuändern.

4.2.

Regression und Korrelation

Belm Auswerten von Meft-eihen zweier Größen x und y kann oft angenommen werden, daß zwischen x und y eine lineare Beziehung der Form y = a + bx besteht. Man bestimmt nun aus den Meßwerten a und b so, daß die Summe der Quadrate der Abweichungen der gemessenen y-Werte von den durch die approximierende Gerade gegebenen Werten minimal wird. Das liefert Formeln zur Berechnung von a und b, die Herleitung dieser Formeln findet der Leser in jeder StatistikdarStellung, b heißt linearer Regressionskoeffizient, er ergibt sich aus X^x.yj - n x y

war in x und y die Stichprobenmittelwerte sind. Zur Beschreibung der Abhängigkeiten zwischen x und y verwendet man den Korrelationskoeffizienten £ > i Vj ' " * y -2 (( £ x f - n x 2 ) ( yf - n y 2 )) 5 Ein Programm zur Berechnung dieser Größen muß also die Eingabe der Werte der Stichprobenvektoren und die Summationen enthalten. Eine Codierung eines solchen Algorithmus zeigt folgendes Programm.

4.2. Regression und Korrelation Progr. 4.2 REGRESSIONKORRE LATION und Laufzeitprotokoll 0 1 PROGRAM REGRESSI0KK0RRELATI01J( INPUT .OUTPUT ) ; 2

3 CONST 4 5

UHFANG=10D;

6 TYPE 7 STICHPROBE=ARRAYC1.. UHFANGJOf1 REAL; 8 9 VAR 10 J,I:IiITEGSR; 11 IS :IiITEGER(« STICHPH0BKU2AKH1SH M); 12 HAKTUELL :IüTEGEfl(h AKTUELLE LAENGE DER STICHPROBE * ) | 13 X,Y¡STICHPROBE; 14 B,BH0«3E.4Ls 15 16 17 KtOCEDURE LIESSTICHPHOBEj¡PAARE(VAR II ¡INTEGER; VAR X,Y ¡STICHPROBE); 10 19 VAR 20 IilKTEGBR} 21 22 BEGEI 23 READ(li)« 24 IP(IJ>100)0R(H0 THEN BEGIN LINEPOSCPLINEPOSD:-' PLINEPOS:-PLINEPOS+1; H2H:»H2H-1; END; END; (* END POR J *) END; (* END I P *) POR I ! = 1 TO LINEL DO L I N E t l ] : - LINEPOS[l] END(x INSERTBLANKS*); (* R A H M E N P R O G R A M M *) BEGIN(xBLAHKINSERTIONx) WRITELN(M'); WHILE NOT EOF(INPUT)DO BEGIN IIs-1; „ , WHILE NOT EOLN(INPUT)DO BEGIN READ(LINE[II] ) ; I I : - I I + 1 ; IEND:=LL; WHILE(LINELIEND]=' ')D0 IEND:»IEND-1; INSERTBLANKS(LINE,LL,IEND); WRITELN(* ' . L I N E ) ; READLN(INPUT); END; END(*- BLANKINSERTION *) .

END;

Erläuterungen 1. D a s P r o g r a m m besteht aus der Prozedur INSERTBLANKS (Zeilen 17 bis 65) und einem Rahmenprogramm zum T e s t e n der Prozedur. Zu diesem Rahmen gehören die Vereinbarungen am Anfang und der Rumpf des Hauptprog r a m m s (Zeilen 71 b i s 81).

4.6. Erzeugung eines binären Baums

135

2. Im Hauptprogramm werden zyklisch Lochkarten eingelesen (Zeile 76). Die Anzahl der Leerzeichen am Ende der Karte wird jeweils registriert (Zeile 77). 3. In Zeile 78 wird die Prozedur INSERTBLANKS aufgerufen. Nach Rückkehr aus der Prozedur erfolgt ein Kontrolldruck der erzeugten Zeile. Der P r o zedur werden drei Parameter übergeben, nämlich die aufzubereitende Zeile als Vektor von Zeichen, die Zeilenlänge und die Position des letzten signifikanten Zeichens der Zeile. Die Liste der formalen Parameter zeigt, daß die aufzubereitende Zeile auf der Position eines Referenzparameters steht. Das ist erforderlich, da der Wert dieses Parameters in der Prozedur verändert wird (Zeile 64) und diese Veränderung an das Hauptprogramm übermittelt werden- soll. 4. Das Einfügen der Leerzeichen ist wie folgt organisiert: Die Positionen der Wortlücken werden in einem Vektor BLANKPOS gemerkt und durch K gezählt. Danach beschreibt BLANKPOS [i] die Position der letzten Stelle eines Wortes (i > 1). Mit Hilfe der in diesem Vektor gespeicherten Werte wird die Ausgabe der Zeichen zwischen je zwei Wortlücken gesteuert. Der Übersichtlichkeit halber werden hierbei die Hilfsvariablen LB und ÜB (lower bound, upper bound) benutzt (Zeilen 47/48). Die redigierte Zeile wird in dem Vektor LINEPOS aufgebaut. Die Arbeitsstelle in diesem Vektor ist jeweils durch PLINEPOS indiziert. Das Verteilen der freien Stellen vom Zeilenende auf die Wortlücken innerhalb der Zeile erfordert einerseits in den Zeilen 38 und 40 die Berechnung von Anzahlen und andererseits das explizite Eintragen von Leerzeichen in den Zeilen 53 und/oder 57. Das Übertragen von Wortlücke zu Wortlücke ist durch die FOR-Anweisung in Zeile 45 gesteuert. (Welche Aufgabe haben die Anweisungen in Zeile 30?)

4.6.

Erzeugung eines binären Baums

Eine typische Aufgabe in der alphanumerischen Datenverarbeitung ist es, Datensätze, die durch einen Schlüssel identifiziert sind, "sinnvoll angeordnet"

136

4. Zusammenfassende Beispiele mit Diskussion

zu speichern. "Sinnvoll angeordnet" ist dabei so zut verstehen, daß das Arbeiten mit den Datensätzen bequem beschreibbar ist und in bezug auf Rechenzeit und/ oder Speicherplatzbedarf gewisse Effektivitätsbedingungen erfüllt sind. Da es nicht unsere Absicht ist, unterschiedliche Sortier - und Suchverfahren zu v e r gleichen, wollen wir eine Farm der Organisation herausgreifen, die uns geeignet erscheint, die Anwendung bestimmter Sprachelemente vorzuführen. Es handelt sich dabei um das Arbeiten mit Pointern und die Ausnutzung rekursiver Techniken. Wir erinnern daran, daß die anschauliche Vorstellung eines binären Baumes ein zusammenhängender gerichteter Graph ist mit einem Anfangsknoten (Wurzelknoten) und der Eigenschaft, daß jeder Knoten genau einen Vorgängerknoten und höchstens zwei Nachfolgerknoten hat. Für unseren Zweck wird es aber besser sein, den Begriff Binärbaum r e kursiv zu definieren. Für diese Definition behalten wir im Auge, daß die Knoten des Binärbaums durch die zu organisierenden Datensätze repräsentiert werden, daß also den Knoten Variablen entsprechen, deren Strukturierung durch einen zugeordneten Typ beschrieben ist. Um eine konkrete Vorstellung eines solchen Typ zu haben, legen wir fest: Der Datentyp - er sei BBK genannt - umfasse ein achtstelliges Schlüsselfeld, ein ganzzahliges Datenfeld worin die Häufigkeit des Auftretens eines Schlüssels gezählt werden kann und zwei Pointerplätze, die auf weitere Variablen dieses Typ verweisen. Auf einen speziellen Inhalt des Datensatzes sei verzichtet. Schlüsselfeld

\

NAME

Zähler

Pointer

\

ANZAHL

LINKS

RECHTS

Vferweise auf Nochfolgerknoten

Abb. 4. 7 Beispiel des Knotenaufbaus eines Binärbaums

4.6. Erzeugung eines binären Baums

137

Abb. 4. 7 zeigt die Struktur des Knotens. Daraus erklärt sich folgende rekursive Definition des Binärbaums: Ein Binärbaum mit Knoten des Typ BBK ist entweder 1. der leere Baum oder 2. die mit Hilfe von Pointern realisierte Zusammensetzung eines Elements vom Typ BBK mit zwei Binärbäumen des gleichen Grundtyps. Abb. 4. 8 demonstriert diesen rekursiven Aufbau.

Q

-

Zeiger auf Wurzel des Baums

-

Abb. 4. 8 Rekursiver Aufbau eines Binärbaums Der eben beschriebene Datentyp läßt sich in PASCAL notieren durch TYPE ALFA = ARRAY 1 . . . 8 OF CHAR; PBBK = 9BBK; BBK

= RECORD NAME : ALFA; ANZAHL : INTEGER; LINKS, RECHTS : PBBK END;

138

0

1

4. Zusammenfassende Beispiele mit Diskussion

MUM*

[j^HoTTO Ml^l^l

MUM